Perturbed recombination from inhomogeneous photon injection and application to accreting primordial black holes
Perturbed recombination from inhomogeneous photon injection and application to accreting primordial black holes
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非均匀光子注入的扰动重组及其在吸积原初黑洞中的应用
DOI：
10.1103/physrevd.104.063534
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发表时间：
2021
影响因子：
5
通讯作者：
Ali-Haïmoud, Yacine
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Jensen, Trey W.;Ali-Haïmoud, Yacine
早期宇宙中的外来电磁能量注入可能会改变宇宙复合，并最终改变宇宙微波背景（CMB）的各向异性。此外，如果能量注入不均匀，可能会导致空间变化的电离分数以及宇宙微波背景中的非高斯性。然而，这些信号的可观测性取决于注入的粒子传播多远，并将其能量存款原始等离子体中，相对于能量注入波动的特征尺度。在这项研究中，我们检查的空间特性的能量沉积和扰动重组所造成的非均匀能量注入次10兆电子伏的光子，相关的吸积原始黑洞（PBH）。我们开发了一种新的蒙特卡罗辐射输运代码占所有相关的光子相互作用在这个能量范围内，并包括二次电子能量沉积效率通过一个新的解析近似。对于指定的注入光子光谱，代码根据时间和距注入点的距离输出注入到沉积绿色函数。结合这个输出与扰动复合问题的线性化解决方案，我们得到时间和尺度依赖的沉积电离绿色的功能。我们应用这个一般框架吸积PBH，其亮度强烈的空间调制的冷暗物质和重子之间的超音速相对速度。我们发现，由此产生的自由电子分数的空间波动是相同的幅度，其平均偏差从标准重组，从目前的CMB功率谱的限制。这项工作表明，吸积PBH的敏感性可能会大大提高传播这些不均匀性的CMB各向异性功率谱和非高斯统计，我们在随后的论文中研究。
Exotic electromagnetic energy injection in the early Universe may alter cosmological recombination, and ultimately cosmic microwave background (CMB) anisotropies. Moreover, if energy injection is inhomogeneous, it may induce a spatially varying ionization fraction, and non-Gaussianity in the CMB. The observability of these signals, however, is contingent upon how far the injected particles propagate and deposit their energy into the primordial plasma, relative to the characteristic scale of energy injection fluctuations. In this study we inspect the spatial properties of energy deposition and perturbed recombination resulting from an inhomogeneous energy injection of sub-10 MeV photons, relevant to accreting primordial black holes (PBHs). We develop a novel Monte Carlo radiation transport code accounting for all relevant photon interactions in this energy range, and including secondary electron energy deposition efficiency through a new analytic approximation. For a specified injected photon spectrum, the code outputs an injection-to-deposition Green’s function depending on time and distance from the injection point. Combining this output with a linearized solution of the perturbed recombination problem, we derive time- and scale-dependent deposition-to-ionization Green’s functions. We apply this general framework to accreting PBHs, whose luminosity is strongly spatially modulated by supersonic relative velocities between cold dark matter and baryons. We find that the resulting spatial fluctuations of the free-electron fraction are of the same magnitude as its mean deviation from standard recombination, from which current CMB power spectra constraints are derived. This work suggests that the sensitivity to accreting PBHs might be substantially improved by propagating these inhomogeneities to CMB anisotropy power spectra and non-Gaussian statistics, which we study in subsequent papers.
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