Constraining spinning primordial black holes with interstellar dust heating
本文通过模拟自旋原初黑洞（PBH）通过霍金辐射引起的星际尘埃加热效应，扩展了对质量在 – g 范围内自旋原初黑洞丰度的约束，揭示了较高的自旋参数会导致更紧致的（尽管仍比现有约束更宽松的）原初黑洞暗物质占比上限。
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暗物质是宇宙中隐形的支架，这种物质的质量超过了我们所能看到的所有恒星和星系，却拒绝通过光或触觉显现自身。几十年来，科学家们提出了许多候选者来解释这种缺失的质量可能是什么，范围从奇异的亚原子粒子到古老的坍缩恒星。在这些候选者中，包括原初黑洞——这些天体形成于大爆炸后的最初一瞬间，远在第一颗恒星点燃之前。与我们今天观察到的那些由大质量恒星死亡而成的黑洞不同，这些原初黑洞可能存在于极广的质量范围内。其中一些黑洞非常微小，目前正在发生蒸发，释放出一种被称为霍金辐射的过程中的能量。这种蒸发不仅仅是一个理论上的奇观；它是一种机制，可以在宇宙中留下可探测的指纹，从而让我们有可能衡量环绕在我们周围的隐形暗物质。
来自中国曲阜师范大学的一个研究小组通过关注在恒星之间漂浮的尘埃，对如何探测这些难以捉摸的天体进行了全新的审视。星际尘埃主要由微小的硅酸盐和石墨颗粒组成，它们充当了宇宙温度计。这些颗粒不断受到来自恒星和其他来源的辐射照射，这使它们升温，导致它们在红外光中发光。这些尘埃的温度处于一种微妙的平衡：它们在吸收能量时升温，在辐射掉这些能量时降温。如果银河系中漂浮着过多的原初黑洞，它们的蒸发会向尘埃注入额外的能量，使其比实际温度更高。通过测量尘埃真实的温度，科学家可以设定一个限制，即在不使银河系过热的前提下，可以存在多少这样的黑洞。
在他们的新研究中，研究人员通过考虑两个此前调查中很大程度上被忽视的因素，完善了这种方法：黑洞的自旋以及它们发射出的粒子的完整复杂性。虽然许多早期的模型假设这些黑洞是静止的，但这项新工作考虑了它们快速自旋的可能性。旋转的黑洞比不旋转的黑洞更有效地发射辐射，就像一个旋转的陀螺比一块静止的石头能更有效地释放能量一样。该团队还更新了他们的计算，以包含在蒸发过程中产生的更多种类的粒子，特别是当初始粒子分解成更小的碎片时所产生的粒子。通过将这些更符合现实条件的参数代入模型，他们精确计算了旋转的原初黑洞群体会向星际尘埃增加多少热量。
这种详细核算的计算结果提供了一种独立且新的约束暗物质丰度的方法。研究人员发现，这些限制在很大程度上取决于黑洞的质量及其自旋速度。对于他们所考虑的最微小的黑洞（质量为 克），如果黑洞接近其最大转速，约束条件会显著收紧。在他们测试的最极端情景中，即黑洞以接近最快可能的速率旋转时，暗物质中可以由这些天体组成的比例下降到大约万四分之一（1.5 in 10,000）。这意味着，如果暗物质完全由这些特定的旋转黑洞组成，星际尘埃的发光强度将远高于天文学家实际观测到的亮度。
虽然这些新的限制不像使用伽马射线望远镜或宇宙微波背景数据的方法那样严格，但它们提供了一个独特且互补的视角。该研究强调，黑洞的自旋是一个关键变量；忽略它可能会导致低估这些天体向宇宙注入能量的程度。研究人员还指出，他们的计算是保守的，这意味着他们可能低估了真实的约束力。如果将恒星产生的加热作用（这是尘埃温暖的主要来源）也纳入考虑，为了保持尘埃在观测到的温度，允许存在的黑洞数量必须更低。此外，研究表明，观察辐射背景较少的环境，例如银河系的边缘或遥远的矮星系，在未来可能会产生更强的限制。
最终，这项工作证明了星际介质中安静、寒冷的尘埃是探测宇宙中最剧烈过程的敏感探测器。通过仔细聆听尘埃颗粒的热量细语，科学家可以排除庞大的假设黑洞群体。这项研究证实，虽然原初黑洞仍是暗物质的一个可行候选者，但它们的特性——特别是质量和自旋——必须落在极窄的窗口内，以避免“烹煮”银河系的尘埃。这种方法增加了一个有价值的拼图碎片，证明了即使是宇宙中最微小、最寒冷的物质微粒，也能帮助我们解开宇宙最大隐形质量之谜。
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