宇宙中可能充满了不会死亡的超轻黑洞

又到那个时间了!是时候建立另一个能最终解开暗物质之谜的模型了。也许不是,但值得一试。在我们直接探测到暗物质粒子之前,或者在某些模型最终将暗物质从我们的天体物理学工具包中移除之前,我们能做的最好的事情就是继续寻找解决方案。这项新研究着眼于古老的理论栗子 —— 原始黑洞,但它有一些有趣的转折。
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原始黑洞(PBH)是一种假想的物体,形成于宇宙最早的时刻。根据模型,它们由物质密度和时空的微观波动形成,成为沙粒大小的山状黑洞。虽然我们从未探测到原始黑洞,但它们具有暗物质的所有必要属性,比如不发光,能够聚集在星系周围。如果它们存在,它们可以解释大部分暗物质。
缺点是,大多数原始黑洞候选者已经被观测排除了。例如,要解释暗物质,就必须有很多这样的引力小点,它们经常从我们的有利位置经过恒星前面。这将产生一个微透镜耀斑,我们应该定期观察。几次天空调查都没有找到这样的事件,所以PBH暗物质现在不是一个流行的想法。
这项新工作采用了一种略有不同的方法。它考虑的不是典型的原始黑洞,而是超轻黑洞。它们在可能的质量中处于很小的一端,而且非常小,以至于霍金辐射会发挥作用。霍金衰变的速率与黑洞的大小成反比,所以这些超轻黑洞应该在很短的宇宙时间尺度内辐射到它们的生命终点。由于我们没有一个完整的量子引力模型,我们不知道最终超轻黑洞会发生什么,这就是这篇论文的由来。
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正如作者所指出的,基本上有三种可能的结果。第一种假设是黑洞完全向外辐射。黑洞将以高能粒子的短暂闪光结束。第二种是某种机制阻止了完全蒸发,使黑洞达到某种平衡状态。第三种选择与第二种类似,但在这种情况下,平衡状态导致视界消失,留下一个暴露的密集质量,即裸奇点。作者还指出,对于后两种结果,物体可能具有净电荷。
对于蒸发的情况,最大的未知将是蒸发的时间尺度。如果PBH最初很小,它们会迅速蒸发,并增加早期宇宙的再加热效应。如果它们慢慢蒸发,我们应该能把它们的死亡看成是伽马射线的闪光。这两种效应都没有被观测到,但是像费米大面积望远镜这样的探测器,可能会捕捉到其中的一种。
对于后两种选择,作者认为将在普朗克尺度附近达到平衡。残余物是质子大小,但质量要高得多。不幸的是,如果这些残余物是电中性的,就不可能被探测到。它们不会衰变成其他粒子,也不会大到可以直接探测到。这与观察结果相符,但不是令人满意的结果。这个模型本质上是无法证明的。如果这些粒子确实带电荷,那么我们可能会在下一代中微子探测器中探测到它们的存在。
这项工作的主要内容是,目前的观测并没有完全排除原始黑洞存在的可能性。在我们有更好的数据之前,这个模型加入了许多其他可能性的理论堆。
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