[论文解读] The History of Primordial Black Holes

B. J. Carr, Anne M. Green|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2024

Relativity and Gravitational Theory被引用 4

一句话总结

本文追溯了原初黑洞（PBH）研究长达五十年的历史，从20世纪60年代的理论基础，到近年来引力波探测（如LIGO）引发的观测约束与新一轮兴趣。文章强调原初黑洞在广泛质量范围内（尤其是小行星质量与恒星级质量范围）作为暗物质候选者的潜力，并综述了其在早期宇宙结构形成、霍金辐射以及微引力透镜、宇宙微波背景畸变和快速射电暴等观测约束中的作用。

ABSTRACT

We overview the history of primordial black hole (PBH) research from the first papers around 50 years ago to the present epoch. The history may be divided into four periods, the dividing lines being marked by three key developments: inflation on the theoretical front and the detection of microlensing events by the MACHO project and gravitational waves by the LIGO/Virgo/KAGRA project on the observation front. However, they are also characterised by somewhat different focuses of research. The period 1967-1980 covered the groundbreaking work on PBH formation and evaporation. The period 1980-1996 mainly focussed on their formation, while the period 1996-2016 consolidated the work on formation but also collated the constraints on the PBH abundance. In the period 2016-2024 there was a shift of emphasis to the search for evidence for PBHs and - while opinions about the strength of the purported evidence vary - this has motivated more careful studies of some aspects of the subject. Certainly the soaring number of papers on PBHs in this last period indicates a growing interest in the topic.

研究动机与目标

• 系统性地记录原初黑洞（PBH）研究在过去五十年中的演变历程，识别关键的理论与观测里程碑。
• 评估原初黑洞在从普朗克尺度到恒星级质量的广阔质量谱中作为暗物质候选者的角色。
• 评估来自宇宙微波背景畸变、微引力透镜观测（如MACHO）以及引力波探测（LIGO/Virgo/KAGRA）的约束条件。
• 探讨原初黑洞在种子早期结构形成、解释高红移星系以及解释超大质量黑洞起源方面的潜力。
• 综合现有证据与争议，特别关注小行星质量范围（10^−14–10^−8 M⊙）与恒星级质量范围（1–100 M⊙）的原初黑洞作为暗物质候选者的可能性。

提出的方法

• 将原初黑洞研究按时间划分为四个阶段进行编年分析：1967–1980年（形成与蒸发）、1980–1996年（形成机制）、1996–2016年（丰度约束）、2016–2024年（观测证据搜寻）。
• 使用史瓦西半径公式 $ R_{\rm S} = 2GM/c^2 $ 来定义早期宇宙中黑洞形成的条件。
• 应用宇宙学密度涨落理论估算不同宇宙时期（如普朗克时间、强子-夸克相变、1秒时）原初黑洞形成的质量尺度。
• 通过CMB $\mu$-畸变、微引力透镜（MACHO）以及引力波事件（LIGO/Virgo/KAGRA）的观测约束，评估原初黑洞丰度的限制。
• 通过种子效应与泊松效应建模原初黑洞对宇宙结构的影响，其质量束缚尺度分别为 $ \sim 4000M z_{\rm B}^{-1}M_\odot $ 与 $ \sim 10^7 f M z_{\rm B}^{-2}M_\odot $。
• 分析原初黑洞与中子星相互作用以解释r-过程核合成与快速射电暴，依据Fuller等人（2017）与Abramowicz & Bejger（2018）的模型。

Figure 1: This diagram indicates the mass and size of various types of black holes, with the division between the micro and macro domains being indicated by the vertical line. QSO stands for “Quasi-Stellar Object”, MW for “Milky Way”, IMBH for “Intermediate Mass Black Hole”, SLAB for “Stupendously L

实验结果

研究问题

• RQ1 从20世纪60年代至今，原初黑洞形成与蒸发的理论理解是如何演变的？
• RQ2 来自微引力透镜（MACHO）、CMB畸变与引力波的观测约束，如何塑造了原初黑洞作为暗物质候选者的允许参数空间？
• RQ3 在小行星质量范围（10^{-14}–10^{-8} M⊙）内的原初黑洞，若其丰度超过 f > 0.01，是否可通过与中子星的相互作用解释观测到的r-过程元素丰度？
• RQ4 质量在10^6–10^9 M⊙范围内的原初黑洞在多大程度上可作为早期超大质量黑洞的种子？其与高红移类星体（z > 7）的观测是否相容？
• RQ5 原初黑洞在早期结构形成中起什么作用？它们能否解决矮星系群体中的异常现象以及‘大到无法失败’问题？

主要发现

• 原初黑洞可在极广的质量范围内形成——从普朗克质量（10^{-5} g）到10^5 M⊙——具体取决于形成时期；质量小于10^{15} g的原初黑洞会在当前宇宙年龄内通过霍金辐射蒸发。
• 1996年MACHO微引力透镜巡天使原初黑洞研究论文数量增至约每年100篇，而2016年LIGO探测到引力波后，该数量在2024年激增至每年1000多篇。
• 来自CMB $\mu$-畸变的约束排除了在电子-正电子湮灭时期形成的约10^6 M⊙原初黑洞作为主导暗物质组分的可能性。
• 若丰度超过 f > 0.01，质量在10^{-14}–10^{-8} M⊙范围内的原初黑洞可通过与中子星的相互作用产生r-过程元素。
• 质量约为10^{23} g的原初黑洞可能通过与中子星碰撞解释快速射电暴，该结论基于光度与时间标度的约束。
• 质量约为10^6 M⊙的原初黑洞可作为早期超大质量黑洞的种子，并解释红移 z > 7 的高红移类星体，但此类模型若要与CMB约束相容，需假设原初黑洞仅占暗物质的10^{-6}–10^{-3}。

Figure 2: Number of articles in SAO/NASA Astrophysics Data System with “Primordial Black Hole” in title in four-year bins.