原初黑洞可能在大爆炸后的最初几分之一秒内形成。当时，原初等离子体中的高密度能量团直接坍缩成了黑洞。它们的质量范围极其广泛，从比山还轻的微粒到可与太阳媲美的天体。由于它们在核合成之前形成，并且是非重子物质，因此长期以来一直被视作暗物质的候选者。
但是，要证明PBH确实存在，更不用说它们构成了宇宙缺失质量的相当大一部分，就需要理解两种相反的力量:吸积和霍金蒸发。印度理工学院古瓦哈提分校的Jitumani Kalita和Debaprasad Maity在2026年7月的《宇宙学与天体粒子物理学杂志》(JCAP 07, 2026)上发表了一篇新论文，以先前研究所缺乏的严谨性重新审视了这种竞争。他们的关键创新在于，对嵌入辐射主导早期宇宙中的旋转(Kerr)黑洞的吸积过程进行了完全广义相对论的处理。
吸积与蒸发的平衡
霍金辐射由Stephen Hawking于1974年首次预言，它导致黑洞从其事件视界外部发射粒子。越小的黑洞蒸发得越快。初始质量约为10^9克的PBH会在BBN开始之前完全蒸发，而质量约为10^15克的PBH则会存活至今。
吸积则朝着相反的方向起作用。当PBH穿过早期宇宙致密的辐射浴时，它会吸入周围物质，从而增加质量。标准处理方法一直依赖Bondi-Hoyle-Lyttleton形式体系，这是一种忽略旋转黑洞附近弯曲时空的非相对论近似。Kalita和Maity认为，这种近似不足以描述辐射主导时代的条件，当时宇宙温度高、密度大，吸积足以与蒸发激烈竞争。
旋转黑洞的相对论框架
研究团队推导了一个新的自旋相关吸积效率，称为lambda Kerr(Kerr)，它决定了Kerr黑洞吸入周围辐射的效率。然后，他们构建了PBH质量和自旋同时演化的耦合微分方程，同时包含了相对论吸积和自旋相关的霍金发射。
结果令人震惊。对于缓慢自旋的PBH，相对论吸积可以将其质量增加到初始值的大约4.5倍，这大大超过了非相对论模型的预测。更令人惊讶的是，这个过程会迅速抑制黑洞的旋转。一个初始自旋参数接近0.99、近乎最大旋转的Kerr黑洞PBH，在有机会显著蒸发之前，其自旋就会降至接近零。当蒸发变得重要时，几乎所有PBH都已变成有效非旋转的Schwarzschild黑洞。
这种自旋减速效应在论文的框架内产生了重大后果。这意味着PBH在形成时的详细自旋分布(取决于其产生的具体机制)在模型中很早就会被抹去。根据这项研究的假设，无论初始自旋如何，PBH都会收敛到相同的低自旋演化轨道。
大爆炸核合成带来的更强约束
该论文最具影响力的发现之一涉及BBN约束。如果PBH在BBN开始后蒸发，其衰变产物会将高能粒子注入原初等离子体，改变轻元素丰度，从而与观测结果不符。这为PBH的初始质量设定了上限:质量越大的PBH寿命越长。
新的相对论处理将这个界限加强了大约4到5倍。在考虑了吸积增强的质量增长后，PBH在违反BBN约束之前的最大初始质量从约3.3 x 10^8克下降到约7.3 x 10^7克。吸积使PBH变得更重，而更重的黑洞蒸发得更慢。根据旧计算本可勉强存活到BBN之后的PBH，现在显然超期过长了。
对暗物质的启示
该研究还重塑了PBH作为暗物质候选者的参数空间。PBH要存在至今，必须存活138亿年。生存所需的最小初始质量从仅考虑蒸发情况下的约1.2 x 10^15克下降到包含相对论吸积时的约2.7 x 10^14克，因为吸积增加了质量，延长了寿命。
这使得PBH暗物质的可行窗口向更低的初始质量移动，从而加强了对PBH可能代表的暗物质比例的约束。该研究还考察了由霍金发射直接产生的暗物质。蒸发的PBH可以产生稳定的粒子，这些粒子作为暗物质遗迹持续存在，而更新后的质量演化轨迹改变了此类粒子的预期丰度。
被抹去的引力波特征
旋转黑洞在随机引力波背景(SGWB)中产生独特的高频特征。由于频率取决于黑洞的自旋，原则上它可以将PBH与其他来源区分开来。
新发现的吸积驱动的自旋减速有效地抹去了这一特征。当PBH开始以可检测的水平发射引力波时，它们的自旋已经被抑制到接近零。高频凸起从预测的SGWB频谱中消失。这一结果改变了对未来高频随机引力波背景搜索的预测。
更完整的图景
Kalita和Maity的论文代表了PBH物理学方法论上的一次进步。他们的相对论吸积框架在质量和自旋两方面都产生了性质不同的演化，并加强或改变了该领域的关键观测约束。
PBH是对辐射主导时代条件极为敏感的独特探针。理解它们如何生长、旋转和消亡，就是解读宇宙不到一秒时发生过程的印迹。随着引力波探测器的灵敏度不断提高，这些精细的计算将有助于解释数据所揭示的信息。
由 婷 翻译自英文 – 1ban.news