利用全球 21 cm 信号探测记忆负担型原初黑洞

我们研究了记忆负担型原初黑洞（PBH）对宇宙黎明期间全球 21 cm 信号的印记。近期研究重新开启了 PBH 作为暗物质候选者的质量窗口的可能性，特别是在低质量区域（$M_{\text{PBH}} < 10^{15}$ g），其中传统来自蒸发的约束正在量子引力效应的光照下被重新审视。其中一种效应——记忆负担效应——通过将辐射对黑洞微观态的反作用纳入考虑来减缓黑洞蒸发，显著延长了轻 PBH 的寿命，从而改变了其晚期发射谱。这种持续发射可以显著改变早期宇宙中的能量注入历史。通过计算修正后的能量注入率并将其纳入中性氢的热演化和电离演化，我们获得了暗物质比例的投影约束。这些约束来源于这样一个事实：这些原本被认为已经蒸发的低质量 PBH 可以改变红移 $z\approx17$ 处全球 21 cm 信号的吸收幅度。考虑通向记忆负担阶段的两种可行转变情景——快速（或瞬时）和慢速（具有有限宽度的转变）——我们展示了 21 cm 约束对不同质量范围的敏感性。对于宽过渡（$\delta=10^{-2}$），我们发现 $M_{\rm PBH}\simeq10^{8}$-$10^{13}$ g 范围内的 PBH 在 $f_{\rm PBH}\gtrsim10^{-8}$ 水平上被排除。相比之下，对于快速转变情形（$k=1$），蒸发被如此有效地抑制，以至于对于 $M_{\rm PBH}\gtrsim10^{7}$ g 不再有有意义的 21 cm 约束。