源自 QCD axion 的极大原初黑洞

具有离散对称性的（伪）标量场的暴胀扩散可以在暴胀后播下闭合畴壁气体形成的种子，此时场空间中简并极小值之间的距离不太远离暴胀 Hubble 尺度。一旦足够重的畴壁重新进入 Hubble 球，原初黑洞（PBH）即可形成。在此场景中，暴胀决定了独特的 PBH 质量分布，该分布相当平坦，从而可导致可观的 PBH 总丰度，同时避免了临界坍缩形成 PBH 的一些缺点。我们证明，衰变常数接近暴胀 Hubble 尺度的通用 QCD axion 模型，今天可以产生高达 $1\%$ 的暗物质（DM）以 PBH 形式存在，同时与宇宙微波背景观测的等曲率约束相容。这发生在 axion 衰变常数约为 $f_a\simeq 10^{8}~\text{GeV}$ 附近，即 axion 太阳望远镜所探测且部分受天体物理观测约束的区域。生成的 PBH 具有极大的质量，超过 $10^{11}M_\odot$，其存在可通过大尺度结构观测来探测。类 axion 粒子可以产生更大的 PBH 丰度。或者，在可以放宽等曲率约束的场景中，我们发现全部 DM 可以由 QCD axion 失配机制产生，并伴随 ${\cal O}(10^{-3})$ 的 DM 以质量为 $(10^5-10^6)~M_\odot$ 的 PBH 形式存在。这些 PBH 可以作为大红移处大质量黑洞形成的种子，正如近期 JWST 观测所表明的那样。