用 21cm 宇宙学约束原初黑洞丰度

LIGO 与 VIRGO 对若干双黑洞并合的探测重新激发了如下兴趣：数十太阳质量的原初黑洞 (PBHs) 可能对暗物质能量密度有不可忽略的贡献。即便存在质量 $\gtrsim \mathcal{O}(M_\odot)$ 的少量 PBH 种群，它们也会深刻影响星系际介质的性质，并揭示早期宇宙中起作用的新过程。我们在此表明，在再电离与宇宙黎明时期对中性氢 21cm 跃迁的观测，很可能提供对太阳质量 PBH 最严格的检验之一。在 21cm 宇宙学框架下，PBH 产生三种不同的可观测效应：{\textit{(i)}} 由泊松噪声引起的对原初功率谱（以及因而对晕质量函数）的修正，{\textit{(ii)}} 通过吸积过程中产生的 X 射线对星系际介质的统一加热与电离，以及 {\textit{(iii)}} 对孤立 PBH 周围环境的温度与密度的局域修正。利用一个四参数天体物理模型，我们表明像 SKA 与 HERA 这样的实验可能将利用宇宙微波背景观测所得现有约束改善一个量级以上。