[论文解读] Primordial black holes are again on the limelight

M. Roncadelli, A. Treves+1 more|ArXiv.org|Jan 8, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过建模银河系形成期间原初黑洞（PBHs）被恒星引力捕获及其后续吸积过程，推导出质量大于10^15 g的原初黑洞当前丰度的严格上界。研究发现，即使仅有极小比例的PBH被捕获，也会导致盘星和白矮星的灾难性耗竭，除非PBH极为稀少，从而限制了其宇宙密度，并暗示低质量恒星级黑洞（M < 1 M☉）可能源于PBH吞噬白矮星的过程。

ABSTRACT

We derive a strong upper bound on the amount of Primordial Black Holes (PBHs) that can still be present in the Universe. Gravitational capture of PBHs by the Milky Way stars during their formation and subsequent accretion would produce a dramatic depletion of disk stars and especially of white dwarfs, unless the average cosmic density and mass of PBHs are severely constrained. Our finding also helps to discriminate among the various production mechanisms of PBHs. Moreover, we show that a star becomes overluminous before its disappearance into a PBH for a time span independent of its mass, thereby providing a characteristic observational signature of the considered scenario. We stress that our result allows for the existence of stellar-mass black holes in a mass range that is forbidden by standard stellar evolution.

研究动机与目标

• 评估质量大于10^15 g的原初黑洞（PBHs）在银河系恒星形成期间捕获恒星的天体物理后果。
• 通过分析盘星和白矮星因吸积导致的耗竭，约束当前PBH的宇宙密度。
• 评估PBH是否可解释低质量恒星级黑洞（M < 1 M☉），而这类黑洞在标准恒星演化理论中是被禁止的。
• 识别一种特征性观测信号——坍缩前的超亮阶段，其持续时间与恒星质量无关。
• 通过推导出的密度约束，区分各种PBH生成机制。

提出的方法

• 假设PBH在银河系晕中遵循核球形等温（CSI）分布，与暗物质密度分布和速度弥散相匹配。
• 使用Bondi吸积模型计算PBH向恒星吸积的吸积率，当PBH质量超过~7.6×10^14 g/ε时，吸积率过渡到爱丁顿极限吸积。
• 应用条件：恒星在坍缩前最后阶段的光度超过0.1 L*，以估算超亮阶段持续时间（t_lum）。
• 通过要求PBH质量通过吸积增长至恒星质量，假设为爱丁顿极限增长，推导出吞噬时间（t_sw）。
• 施加约束条件：仅极小比例的恒星可捕获PBH，以避免灾难性耗竭，从而得出PBH密度参数Ω_PBH < 10^{-8}的上界。
• 通过PBH质量阈值~7.6×10^14 g/ε，评估吸积从Bondi向爱丁顿极限主导阶段转变的周转时间（t_to）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PBH被形成恒星引力捕获的前提下，质量大于10^15 g的原初黑洞的宇宙密度最大允许值是多少？
• RQ2 质量大于10^15 g的PBH能否在银河系盘中长期存在而不引起恒星和白矮星的可观测耗竭？
• RQ3 坍缩前超亮阶段的持续时间是否依赖于初始恒星质量？
• RQ4 PBH能否解释低质量恒星级黑洞（M < 1 M☉）的存在，而这类黑洞在标准恒星演化理论中是无法形成的？
• RQ5 这些天体物理效应对PBH的初始质量函数和生成机制施加了何种约束？

主要发现

• 基于PBH捕获不会导致恒星灾难性耗竭的要求，质量大于10^15 g的PBH当前宇宙密度参数被约束为Ω_PBH < 10^{-8}。
• 恒星在被PBH吞噬前约8.3×10^4年处于超亮状态，且该持续时间与恒星质量无关。
• 在爱丁顿极限吸积假设下，质量大于7.6×10^19 g的PBH吞噬恒星的时间小于1.4×10^5年。
• 吸积过程从Bondi阶段过渡到爱丁顿极限主导阶段的PBH质量约为~7.6×10^14 g/ε，周转时间t_to < 3.3×10^8年。
• 质量大于10^25 g的PBH才可能对暗物质有显著贡献，表明只有最重的PBH才可能是重要的暗物质候选者。
• 若观测到质量M < 1 M☉的黑洞，将强烈暗示其起源于PBH，因为此类质量无法通过标准恒星演化形成。