原始黑洞如何改变大爆炸核合过程

原始黑洞(PBH)为探索早宇宙物理学提供了强大的探针，将气体波动联系到可观测宇宙现象。本文采用自下而上的方法，研究质量范围为 $10^{8} \leq M \leq 10^{13}\,\mathrm{g}$ 的 PBH 如何通过霍金辐射影响大爆炸核合过程(BBN)。我们将 PBH 蒸发过程纳入反应网络代码中，以评估其对轻元素丰度的影响。我们的分析表明，PBH 蒸发作为一种熵注入机制，增加了共轭熵密度。为再现从 CMB 获得的每个质子数的共轭熵密度 $(s/n_{\mathrm{b}})$，BBN 模拟必须因此开始时使用小于标准情景下（即没有 PBH 的情形）的较小初始熵。结果还揭示了一个阈值，约为 $M \approx 10^{10}\,\mathrm{g}$，将两种 BBN 行为的 regime 分开。以 $M \geq 10^{10}\,\mathrm{g}$ 为例，氦-4质量分数 $Y_{\mathrm{P}}$ 随 $\beta$ 单调增加，由于 PBH 能量密度导致哈勃膨胀增强。相比之下，对于 $M \leq 10^{10}\,\mathrm{g}$，$Y_{\mathrm{P}}$ 表现出非单调行为，这由 PBH 蒸发的时间顺序及其对核反应速率的影响所塑造。这些发现凸显了 BBN 对 PBH 蒸发的敏感性，并为理解 PBH population 如何影响早宇宙热力学史提供了框架。