原初黑洞对 21 厘米涨落的影响

本文研究了由非蒸发原初黑洞（PBHs）产生的 21 厘米信号。物质吸积到 PBH 上发射的 X 射线光子会电离并加热 PBH 附近的星系际介质（IGM）气体。利用一个简单的解析模型，我们表明这种 X 射线加热可以产生可观测的微分 21 厘米亮温度。可观测的 21 厘米亮温度区域可延伸至距 PBH 共动距离 1-10 Mpc 处，具体取决于 PBH 的质量。我们还计算了由 PBHs 引起的 21 厘米涨落的角功率谱。角谱的峰值位置取决于 PBH 质量，而振幅则与 PBH 质量无关。将该角功率谱与原初密度涨落引起的角功率谱进行比较，发现若 $\Omega_{{\rm PBH}} = 10^{-11} (M/10^{3} M_\odot)^{-0.2}$（在 $z=30$ 时）和 $10^{-12} (M/10^{3} M_\odot)^{-0.2}$（在 $z=20$ 时），对于 $10 M_\odot$ 至 $10^8 M_\odot$ 的 PBH 质量，两者变得相当。最后我们发现，平方公里阵列（Square Kilometer Array）能够探测到由 PBHs 产生的信号，其灵敏度上限为 $\Omega_{\rm PBH}=10^{-5} (M/10^{3} M_\odot)^{-0.2}$（在 $z=30$ 时）和 $10^{-7} (M/10^{3} M_\odot)^{-0.2}$（在 $z=20$ 时），适用于质量为 $10^2 M_\odot$ 至 $10^8 M_\odot$ 的 PBHs。