On the orbital eccentricities of primordial black hole binaries inside and outside of dark matter halos
本文通过模拟原初黑洞双星的轨道演化，预测虽然孤立系统在进入大多数引力波频段之前会趋于圆化，但处于暗物质晕中的系统由于动力学相互作用会保留较高的偏心率，从而为未来像 LISA 和 DECIGO 这样的空间观测站通过探测这些残余偏心率来约束原初黑洞丰度提供了一条路径。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，宇宙是一个巨大的、宇宙级的舞池，隐形的舞伴们正在其中不断地旋转、碰撞，有时甚至互相撞击。其中一些舞伴是“原初黑洞”（PBHs），它们是神秘的重量级选手，可能在时间的最伊始阶段就已形成，就像宇宙尘埃沉降成致密的团块一样。当这两个黑洞靠得足够近时，它们会开始绕着彼此旋转，创造出一种让空间本身产生涟漪的引力华尔兹。这些涟漪被称为“引力波”，就像是舞池震动发出的声音。科学家们建造了巨大的“耳朵”，即探测器，用来倾听这些声音。大问题在于，这些黑洞是在进行完美的圆周运动，还是在进行狂野的、椭圆形的路径运动？它们的轨道形状，即“离心率”，就像是一个指纹。如果我们能听到这种“摇摆”，它就能准确地告诉我们这些黑洞是如何相遇的，以及它们曾躲藏在哪里。这之所以重要，是因为发现这些摇摆可以证明黑洞是来自大爆炸的古老遗留物，而不是死星的后代。
在这篇论文中，两位研究人员，穆赫辛·阿尔贾夫（Muhsin Aljaf）和伊利亚斯·乔利斯（Ilias Cholis），决定模拟一场大规模的宇宙舞会，以观察这些原初黑洞会制造出什么样的音乐。他们不仅仅观察一种类型的舞蹈；他们追踪了数十亿对潜在的黑洞对，从它们诞生那一刻起直到它们撞在一起。他们观察了两类主要群体：在星系间的空旷空间里独自起舞的“独行侠”，以及被困在拥挤的暗物质晕（类似于环绕星系的、看不见的、带有额外引力的模糊云团）中的“派对参与者”。
研究人员运行了巨大的计算机模拟，来追踪这些轨道如何随时间变化。他们发现，“独行侠”对是非常乏味的舞者。即使它们最初拥有狂野的椭圆轨道，它们自身引力波产生的摩擦也会在它们到达我们现有探测器的耳朵之前，将轨道磨平为完美的圆。到这些黑洞对准备好被地面探测器（如LIGO）听到时，它们已经在进行完美的圆周运动了，这使得它们无法与普通的黑洞区分开来。
然而，对于“派对参与者”的故事则要精彩得多。当黑洞被困在那些致密的暗物质云中时，它们不仅在与伴侣共舞，还会被附近的其它黑洞碰撞和挤撞。这些“双星-单星相互作用”就像是一个舞者不断被推搡的拥挤的“毛什坑”（mosh pit）。这种混乱防止了轨道的平滑化。研究人员发现，这些黑洞对可以一直保持它们狂野的椭圆形状（高离心率），直到它们即将合并为止。
该论文利用模拟来预测我们的未来监听设备会听到什么。他们发现，地面探测器（如LIGO、ET和CE）很可能只能听到“独行侠”那平滑的圆周舞蹈。但是，空间探测器——它们像是倾听更低音调声音的超灵敏耳朵（特别是LISA和DECIGO）——可能会捕捉到那些狂野的、摇摆的舞者。作者估计，如果原初黑洞确实存在于我们目前怀疑的数量级，LISA和DECIGO可能会探测到大约100个这样的离心率极高的黑洞对。如果这些空间望远镜在寻找时却没有发现任何摇摆的舞者，这将是一个巨大的线索，表明原初黑洞比我们想象的要稀少得多，从而收紧了关于它们能构成多少宇宙成分的规则。
简而言之，该论文建议，如果我们想要寻找这些古老的黑洞，我们不应仅仅倾听撞击声；我们需要倾听“摇摆”声。虽然地面探测器可能会因为舞者已经变得平稳而错过信号，但空间探测器可能会在它们摇摆的过程中捕捉到它们，从而提供一种独特的证明方式，来证实这些宇宙幽灵的存在。如果我们听不到那种摇摆，该论文指出，我们可能不得不重写关于这些原初黑洞在宇宙中所占比例的理解。
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