原初黑洞对宇宙黎明时期射电背景和21-cm整体谱的影响.pdf

摘要

摘要

21厘米整体谱（21-cmglobalspectrum）是探测宇宙黑暗时期（darkages）

和黎明时期（cosmicdawn）最重要的工具之一，包含有宇宙演化历史、第一代

发光天体的性质、新物理等重要信息。2018年，EDGES探测实验探测到了一个

对应于宇宙黎明时期（z~17）的较强的21-cm吸收信号（~-500mK）。强度比标

准模型预测允许的最深的吸收还要强两三倍以上。并且这一吸收信号在形状上，

类似底部平坦的槽形。因此这引起了人们极大的兴趣和广泛的讨论。为了解释

这样的一个信号增强，其中之一的考虑便是在宇宙微波背景辐射（CMB）基础

上有额外的射电辐射背景。为了能够产生强的21-cm吸收信号，产生射电背景

的辐射源除了提供足够多的射电光子以外，同时还必须不能产生太多的X射线。

这样星系际介质就不会因X射线加热、电离作用过早的升温和电离。由于原初

黑洞具有特殊的性质，如诞生时期极早、诞生时的质量可以很大、数目可能非

常的多，被认为可能对宇宙的演化和中性氢21-cm整体谱产生特殊的影响。因

此我们的研究中提出：原初黑洞可以作为辐射源产生一个额外的射电背景。

为了便于讨论且不影响研究结论，我们假定原初黑洞具有单一的质量。我

们首先从原初黑洞的吸积率算出其X射线的光度，然后利用天体物理黑洞观测

得出的射电光度R跟X射线光度之间的拟合关系得出原初黑洞的射电背景。

在这一经验模型下，我们发现原初黑洞产生的射电辐射远不足以直接增强21-

cm信号的吸收。反而，它们会产生很强的X射线辐射，加热电离作用相对于对

宇宙射电背景的贡献要更强。但即使如此，依旧存在合理的参数（原初黑洞质

量，原初黑洞的丰度）范围能够产生足够的Ly-alpha辐射使21-cm信号

•PBH

接近标准宇宙学模型给出则最大值（~-200mK）。如果考虑原初黑洞是孤立的

()

（指原初黑洞周围即均匀的星系际介质），这一范围大致在log=

PBH

−2.5log(/)−2.5附近，如果是原初黑洞被大质量暗物质晕（这样的暗物

•⊙

质晕本身就是在原初黑洞的引力的影响下形成的）包裹的情况下，这一范围大

()

致在log=−2.4log(/)−5.0附近。更大的质量和丰度意味着更强的

PBH•⊙

X射线加热电离作用，这一方面使21-cm信号减弱，另一方面会与我们观测到

的宇宙热历史相违背；更小的质量和丰度则意味着不足以产生足够的Ly-alpha

辐射使中性氢的自旋温度与较冷的气体温度耦合。

Sk

我们接下来直接用黑洞的喷流辐射模型来计算原初黑洞的射电辐射。我们

发现，如果原初黑洞是孤立的，在质量~1−300范围内，若原初黑洞丰

•⊙

度（用原初黑洞的质量密度与物质密度的比值表示）和原初黑洞的质量

PBH•

()⁄

满足对数关系：log~−1.8log()−3.5，其中代表太阳质量，

PBH