[论文解读] Primordial black holes from collapsing antimatter

Gábor Etesi|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 57被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的原初黑洞（PBH）形成机制，即在早期宇宙中，由于反物质表现出相反的热力学行为，导致大规模反物质系统发生引力坍缩。该模型预测重子-光子比为5.12×10⁻¹⁰（接近观测值5.99×10⁻¹⁰），原初黑洞质量超过10⁵–10⁶ M⊙，且这些原初黑洞至少占暗物质的20%，无需微调即可自然解释物质-反物质不对称性问题。

ABSTRACT

In this paper a simple (i.e. free of fine-tuning, etc.) new mechanism for primordial black hole formation based on the collapse of large antimatter systems in the early Universe is introduced. A peculiarity of this process is that, compared to their material counterparts, the collapse of large antimatter systems takes much less time due to the reversed thermodynamics of antimatter, an idea which has been proposed in our earlier paper. This model has several testable predictions. The first is that the photon-baryon ratio is roughly computable and is equal to $1.95 imes 10^9$ which is quite close to its experimentally confirmed value. The second is that the mass of black holes arising from this mechanism is at least $10^5$-$10^6M_\odot$ hence they contribute to the super- or hypermassive end of the primordial black hole mass spectrum. The third prediction is that these sort of primordial black holes constitute at least $20\%$ of dark matter. Last but not least the observed current asymmetry of matter and antimatter, even if their presence in the Universe was symmetric in the beginning, acquires a natural explanation, too.

研究动机与目标

• 解决早期宇宙中物质-反物质不对称性这一未解之谜。
• 提出一种非微调的、新颖的原初黑洞（PBH）形成机制。
• 将PBH的形成与晚期相变过程联系起来，特别是大爆炸后约380,000年时的光子复合过程。
• 通过单一物理机制解释观测到的重子-光子比和暗物质组成。
• 为PBH的质量、丰度及宇宙学影响提供可检验的预测。

提出的方法

• 引入反物质的反向热力学行为，意味着其引力坍缩速度比物质更快。
• 应用Jeans质量分析估算坍缩反物质系统的最小质量，得出mJ ~ 10⁵–10⁶ M⊙。
• 假设初始时物质与反物质对称产生，且由于反向热力学行为，反物质迅速坍缩。
• 从坍缩动力学推导出重子-光子比，预测η ≈ 5.12×10⁻¹⁰。
• 基于初始物质与反物质相等及观测到的暗物质与重子物质比（约5:1），估算这些PBH对暗物质的贡献至少为20%。
• 依赖广义相对论与黑洞力学，指出电荷共轭对称性意味着在黑洞形成过程中，物质与反物质无本质区别。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过反物质坍缩自然重现观测到的重子-光子比，而无需微调？
• RQ2 由反物质系统坍缩形成的原初黑洞的预测质量范围是什么？
• RQ3 此类大质量原初黑洞可能占多少比例的暗物质？
• RQ4 当前宇宙中观测到的物质-反物质不对称性是否可由反物质热力学行为的根本差异来解释？
• RQ5 通过反物质坍缩在晚期形成超大质量原初黑洞的机制是否与当前观测约束一致？

主要发现

• 该模型预测的重子-光子比为5.12×10⁻¹⁰，与观测值5.99×10⁻¹⁰高度一致。
• 通过反物质坍缩形成的原初黑洞的最小质量估计为10⁵–10⁶ M⊙，处于PBH质量谱的超大或超大质量端。
• 这些PBH被预测至少贡献了宇宙总暗物质含量的20%。
• 该机制无需初始CP破坏或微调，即可自然解释观测到的物质-反物质不对称性。
• 极长的蒸发 timescale（10⁸²–10⁸⁵年）确保这些黑洞在宇宙时标内保持稳定，不与当前观测冲突。
• 该模型与黑洞力学及无毛定理一致，因为坍缩结果与坍缩物质是物质还是反物质无关。