通过半解析建模研究原初黑洞对宇宙再电离的影响

本研究利用稳健的半解析模型探讨原初黑洞（PBHs）对宇宙再电离的影响。该模型涵盖宇宙学理论、PBH 物理与辐射转移，以对数正态 PBH 质量函数为核心，平均 PBH 质量设为 30 太阳质量，PBH 中暗物质占比（$f_{PBH}$）在 1.26 至 10 间变化。我们还采用标准薄盘吸积模型与一维辐射转移代码，以全面刻画 PBH 影响下的宇宙再电离。主要发现揭示 PBH 质量与电离效率呈反比关系。例如，当平均 PBH 质量为 10 太阳质量且 $f_{PBH}$ 为 0.1 时，所得电离效率约为 0.25，而当平均 PBH 质量为 50 太阳质量时降至 0.15。然而，当 $f_{PBH}$ 接近 1 时，即便大质量 PBH（平均质量 100 太阳质量）也可达到接近 0.2 的电离效率。电离历史表明，对于平均 PBH 质量 10 太阳质量且 $f_{PBH}$ 为 0.01，快速电离始于 z=12.5+0.5/z=12.5-0.5 并于 z=9+0.5/z=9-0.5 结束。反之，对于更大 PBH 质量 100 太阳质量且 $f_{PBH}$ 为 0.01，再电离更晚开始，于 z=10.8+0.4/z=10.8-0.4。两点相关函数分析揭示，对于 $f_{PBH}$ 为 0.01，在 z=7.5+0.5/z=7.5-0.5 时形成初始尺寸约 10 Mpc 的电离泡，到再电离结束时扩张至 20 Mpc。当 $f_{PBH}$ 为 0.1 时形成更大气泡，起始约 15 Mpc 并于再电离结束时达 30 Mpc。总之，PBH 显著影响宇宙再电离，其质量及对暗物质的贡献调节着这一影响。