[论文解读] Primordial Black Holes Place the Universe in Stasis

Keith R. Dienes, Lucien Heurtier+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文提出，质量低于 10^9 g 的低质量原初黑洞（PBH）群体可引发宇宙停滞时期，在此期间，尽管宇宙膨胀，物质与辐射的丰度仍保持恒定。这是由于 PBH 的霍金辐射持续将能量从物质转移到辐射，从而抵消稀释效应；关键结果是，此类停滞时期可能在暴胀观测量、随机引力波背景、暗物质产生以及重子生成中留下独特印记。

ABSTRACT

A variety of scenarios for early-universe cosmology give rise to a population of primordial black holes (PBHs) with a broad spectrum of masses. The evaporation of PBHs in such scenarios has the potential to place the universe into an extended period of "stasis" during which the abundances of matter and radiation remain absolutely constant despite cosmological expansion. This surprising phenomenon can give rise to new possibilities for early-universe dynamics and lead to distinctive signatures of the evaporation of such PBHs. In this paper, we discuss how this stasis epoch arises and explore a number of its phenomenological consequences, including implications for inflationary observables, the stochastic gravitational-wave background, baryogenesis, and the production of dark matter and dark radiation.

研究动机与目标

• 研究质量低于 10^9 g 的低质量原初黑洞（PBH）群体的宇宙学后果。
• 分析此类 PBH 的霍金辐射如何导致一个持续的宇宙停滞时期，期间尽管宇宙膨胀，物质与辐射丰度仍保持恒定。
• 研究该停滞时期对暴胀、引力波、暗辐射、暗物质及重子生成的范例影响。
• 识别 PBH 引发的停滞在宇宙学观测量中的可观测特征，特别是随机引力波背景与物质功率谱。

提出的方法

• 在具有广泛质量谱的早期宇宙宇宙学模型中，模拟原初密度涨落形成 PBH 的过程。
• 利用黑洞蒸发率与辐射谱，分析 PBH 物质向辐射的能量转移。
• 推导停滞时期的有效状态方程与能量密度演化，表明辐射与物质丰度保持恒定。
• 计算停滞时期产生的随机引力波背景（SGWB）谱，识别与 PBH 质量参数相关的频率依赖性标度行为。
• 评估 PBH 蒸发对暗辐射的影响，通过有效中微子种类数 N_eff，并评估未来 CMB 实验的可探测性。
• 评估停滞如何改变密度扰动的演化，特别是当暗物质在停滞时期处于相对论性状态时，对物质功率谱的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于 10^9 g 的低质量原初黑洞群体如何导致一个宇宙停滞时期，使物质与辐射丰度在宇宙膨胀下保持恒定？
• RQ2 PBH 引发的停滞在随机引力波背景中的可观测特征是什么？其与 PBH 质量谱参数（α, M_min, M_max）的关系如何？
• RQ3 停滞时期如何改变有效相对论自由度数量（ΔN_eff）？未来 CMB 实验探测该效应的可能性如何？
• RQ4 停滞时期在何种方式下影响重子生成与暗物质产生，特别是当暗物质候选者与辐射浴处于热平衡时？
• RQ5 停滞时期如何改变宇宙密度扰动的演化与最终的物质功率谱？

主要发现

• 当低质量 PBH（M < 10^9 g）的霍金辐射持续将能量从物质转移至辐射时，会引发停滞时期，抵消宇宙膨胀导致的稀释效应，使两者的丰度保持恒定。
• 停滞时期产生的随机引力波背景（SGWB）谱表现出与 PBH 质量谱参数 α、M_min 和 M_max 相关的显著频率依赖性标度行为，为未来干涉仪提供了可探测的特征。
• PBH 蒸发产生的暗辐射对有效相对论种类数（ΔN_eff）的贡献通常在当前观测限制范围内，但若 M_max ≳ 10^7 g，则可能被未来 CMB 实验探测到。
• 停滞时期改变了密度扰动的演化，尤其当暗物质处于相对论性状态时，导致物质功率谱发生重塑，与标准宇宙学模型不同。
• PBH 引发的停滞可显著改变新物理场景中最终的重子不对称性与暗物质丰度，使停滞时期成为决定重子生成与暗物质产生机制结果的关键因素。
• 停滞的存在导致宇宙膨胀历史发生改变，从而影响大尺度结构的增长，并在 CMB 与大尺度结构巡天中留下印记。