暴胀涨落与原初黑洞的多信使探测

下一代宇宙微波背景谱畸变与脉冲星计时阵列实验有望以卓越的灵敏度探测小尺度上的原初涨落。我们展示了这些探测手段在跨越 13 个数量级的质量范围 ${\cal O}(0.1-10^{12})M_\odot$ 内，探测由宇宙标准热历史中原初过密度产生的原初黑洞（PBHs）信号，或将其丰度限制至可忽略水平的潜力。我们的结论仅基于全局宇宙学信号，并且在以下变化下保持稳健：i) 原初密度涨落的统计性质（无论高斯或非高斯），ii) PBHs 的并合与吸积历史及相关天体物理过程的假设，以及 iii) 成团统计。任何在小尺度上增强原初涨落的正面探测都将产生深远影响，从暗物质成分到星系中心黑洞起源，再到暴胀的场内容。另一方面，未探测到也将带来重要推论。例如，在未达到预期灵敏度之前的未探测将告诉我们，大于太阳质量一小部分的 PBHs 占暗物质的比例不超过可忽略的一小部分。此外，未探测还将排除由原初过密度生成的 PBHs 可能是超大质量黑洞（SMBHs）前身的情形——这一问题颇具现实意义，因为目前仅有少数被广泛接受的 SMBHs 形成方案，而在红移 $z \geq 7$ 处探测到质量超过十亿太阳质量的活动星系核后，这一问题愈发紧迫。最后，未探测在超过 6 个数量级上对小尺度暴胀涨落幅度给出了最强限制。