由标量诱导引力波的宇宙学约束对原初黑洞的启示

早期宇宙中足够大的标量扰动可以产生过密区域，这些区域坍缩形成原初黑洞（PBH）。该过程伴随标量诱导引力波（SIGW）的发射，其行为类似于额外的辐射成分，从而对相对论自由度（$N_{\rm{eff}}$）产生贡献。我们表明，对 $N_{\rm{eff}}$ 的宇宙学约束可用于对该特定情景下产生的 PBH 以及相关的小尺度曲率扰动（$\mathcal{P}_{\mathcal{R}}(k)$）施加严格限制。我们表明，宇宙微波背景（CMB）、重子声学振荡（BAO）和 Big-Bang 核合成（BBN）数据集的组合可以排除峰值质量 $M_{\bullet} \in [5 \times 10^{5}, 5 \times 10^{10}]\,{\rm M}_{\odot}$ 的超大质量 PBH 作为暗物质主要成分的可能性，而详细的约束取决于 PBH 的质量分布形状。像 CMB-S4 这样的未来 CMB 任务可将该约束窗口拓宽到更大的范围 $M_{\bullet} \in [8 \times 10^{-5}, 5 \times 10^{10}]\,{\rm M}_{\odot}$，覆盖亚恒星质量。这些对 PBH 的限制对应于对尺度 $k \in [10, 10^{22}]\ {\rm{Mpc^{-1}}}$ 上 $\mathcal{P}_{\mathcal{R}}$ 的收紧约束，远小于直接 CMB 和大尺度结构功率谱所探测到的尺度。