原始黑洞如何改變暈質量函數和結構？

核心概念

在大尺度上，原始黑洞可以加速大質量暈的形成，並由於「種子效應」而駐留在其中心，對宇宙結構形成產生顯著影響。

摘要

標題： 原始黑洞如何改變暈質量函數和結構？
作者： Saiyang Zhang, Volker Bromm, Boyuan Liu
發表日期： 2024 年 10 月 31 日
版本： v2

本研究旨在探討質量約為 10^6 太陽質量的原始黑洞 (PBH) 對宇宙結構形成的影響，特別關注其對暈質量函數 (HMF) 和暈結構的影響。

從以下內容提煉的關鍵洞見

How do Primordial Black Holes change the Halo Mass Function and Structure?

by Saiyang Zhan... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.11381.pdf

深入探究

考慮重子效應（如恆星形成的反饋）會如何改變 PBH 對宇宙結構形成的影響？

考慮重子效應，特別是恆星形成的反饋，將會顯著地改變 PBH 對宇宙結構形成的影響。目前的模擬僅考慮暗物質，而忽略了重子物理。然而，在小尺度上，重子過程，特別是恆星形成和相關的反饋過程，預計將發揮主導作用。
以下是一些關鍵效應：

恆星形成抑制： PBH，特別是質量較大的 PBH，可以通過吸積周圍物質有效地增長。這種吸積過程會產生強烈的輻射，加熱周圍的氣體，並抑制恆星形成。這可能會抵消 PBH 引起的結構形成加速，特別是在小尺度上。
恆星反饋： 恆星形成會產生強烈的反饋形式，例如恆星風和超新星爆炸。這些過程可以驅散氣體，抑制進一步的恆星形成，甚至破壞小質量暗物質暈。在 PBH 宇宙學中，恆星反饋可能會改變暗物質暈的質量函數，並影響 PBH 吸積率。
改變暗物質暈的結構： 恆星反饋可以改變暗物質暈的內部結構，使其密度分布更平坦。這可能會影響 PBH 在暗物質暈中的動力學，以及它們的吸積率。
總之，考慮重子效應預計會產生更為複雜和真實的 PBH 宇宙學結構形成圖景。需要進行包含重子和恆星形成反饋的水動力學模擬，以充分探索這些效應。

是否有可能通過觀測證據來區分由 PBH 種子形成的暈和由傳統暗物質形成的暈？

區分由 PBH 種子形成的暈和由傳統暗物質形成的暈是一個重大的觀測挑戰。然而，一些潛在的觀測證據可以幫助我們區分這兩種暈：

暈的質量和紅移關係： 由於 PBH 可以加速結構形成，因此預計在高紅移處會存在更多的大質量暈。通過觀測早期宇宙中暈的質量函數，我們可以尋找與標準 ΛCDM 模型的偏差，這可能暗示著 PBH 的存在。
暈的空間分佈： PBH 形成的暈的空間分佈可能與傳統暗物質暈不同。PBH 暈的空間分佈可能更加聚集，這反映了 PBH 本身的初始分佈。
動力學： PBH 暈的動力學性質可能與傳統暗物質暈不同。例如，PBH 暈的恆星速度彌散可能更高，這反映了 PBH 的引力影響。
引力透鏡效應： PBH 可以作為強引力透鏡，扭曲背景光源的圖像。通過尋找由 PBH 引起的引力透鏡事件，我們可以限制 PBH 的豐度和質量分佈。
需要結合多種觀測手段，例如高紅移星系巡天、星系動力學研究和引力透鏡觀測，才能有效地區分由 PBH 種子形成的暈和由傳統暗物質形成的暈。

如果 PBH 確實是早期宇宙中結構形成的種子，那麼它們對宇宙的長期演化會有什麼影響？

如果 PBH 確實是早期宇宙中結構形成的種子，那麼它們將對宇宙的長期演化產生深遠的影響：

星系形成和演化： PBH 可以加速星系形成，並影響星系的質量、形態和恆星形成歷史。PBH 暈中的星系可能比傳統暗物質暈中的星系更早形成，質量更大，並且具有不同的恆星形成歷史。
超大質量黑洞的形成： PBH 可以作為超大質量黑洞的種子，通過吸積周圍物質迅速增長。這為解釋早期宇宙中觀測到的超大質量黑洞提供了一種自然的解釋。
宇宙重電離： PBH 暈中的恆星形成活動可能對宇宙重電離產生重要貢獻。早期星系發出的紫外線輻射可以電離宇宙中的中性氫，結束宇宙的黑暗時代。
宇宙微波背景輻射： PBH 可以通過引力透鏡效應和能量注入影響宇宙微波背景輻射。這些效應可以在宇宙微波背景輻射的溫度和偏振圖中留下可觀測的印記。
總之，PBH 作為早期宇宙中結構形成的種子，將對宇宙的長期演化產生多方面的影響。對 PBH 宇宙學的進一步研究，將有助於我們更深入地理解宇宙的結構形成和演化歷史。