原初黑洞暗物质研究学术资讯

来源：中国高科技

中国科学院理论物理研究所黄庆国研究员与他的两名博士研究生（陈祖成和袁晨）在伴随原初黑洞形成而产生的诱导引力波的理论研究和观测数据分析方面取得了一系列重要的进展。特别是，他们首次完成了在北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）发布的脉冲星计时阵列11年的观测数据中搜寻诱导引力波的信号，结果显示缺乏显著的统计学意义上的信号，从而得到目前国际上在大约千分之一到一倍太阳质量原初黑洞在暗物质中所占比例（丰度）的最严格限制。相关结果发表在Phys.Rev.Lett.。

宇宙学和天文学观测表明宇宙中存在大量的暗物质，约占宇宙全部物质的85%。不同于其他约占15%的普通物质，暗物质的本质依然是当前基础物理中最大的谜团之一。尽管弱相互作用大质量粒子（WIMP）被认为是暗物质的一个重要的候选者，但是大量的实验观测都没有发现它们存在的证据。相反地，它们赖以存在的理论参数空间正在被迅速的压缩。原初黑洞最早由霍金以及卡尔在上世纪七十年代初提出。原初黑洞产生于早期宇宙辐射为主时期大的密度涨落导致的引力塌缩。较大的原初黑洞的量子效应可以忽略不计，因而几乎是不发光的，是暗物质的一个天然候选者。一个关键的科学问题是宇宙中的暗物质是否全部或部分由原初黑洞组成。

物理上，大的密度涨落带来宇宙物质密度分布的梯度，进而产生四极矩。同时在引力理论中，密度涨落必然随时间演化，因而原初黑洞形成的过程中必然伴随产生由密度扰动诱导的引力波。搜寻这些诱导引力波成为寻找原初黑洞的一个强有力的工具。鉴于爱因斯坦广义相对论是一个非线性的理论，黄庆国研究员以及他的两名学生首次计算了伴随原初黑洞形成而产生的三阶诱导引力波，发现此三阶效应将未来的脉冲星计时阵列（包括IPTA、FAST以及SKA等）通过诱导引力波探测原初黑洞的质量范围有效地扩展到LIGO探测的黑洞质量范围。相关成果作为快讯（Rapid Communication）发表于Phys.Rev.D。此外，除了诱导引力波以外，其他一些天体物理过程也会辐射出引力波，并最终形成弥漫于整个宇宙的随机引力波背景。如何区分诱导引力波和其他天体物理过程产生的引力波成为利用诱导引力波探测原初黑洞的一个关键问题。他们发现诱导引力波能量谱的谱指数具有一种特别的对数依赖性，并且这一特征可以有效地用于区分其他天体物理过程产生的随机引力波背景。相关成果发表于Phys.Rev.D。最后，他们将这些理论结果应用到在NANOGrav 11年的实际观测数据中搜寻伴随原初黑洞形成而产生的诱导引力波。由于没有发现具有统计显示度的信号，他们得到目前国际上在大约千分之一到一倍太阳质量原初黑洞丰度（fpbh）的最严格限制。相较于其他的天文学观测限制，他们的结果显著地提升了几个到十几个数量级。

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