目前已经有丰富的天文学和宇宙学的观测证据表明宇宙中存在着大量的暗物质，其构成了宇宙总能量密度的约26%。然而，这些观测证据都只反映了暗物质的引力效应。暗物质的本质以及暗物质是否参与除引力之外的其他相互作用仍然是未解之谜。2015年LIGO探测到了两个约为30倍太阳质量的黑洞合并产生的引力波。这被视为支持原初黑洞存在的积极信号。因此，原初黑洞作为在暗物质研究领域发展早期便被提出的暗物质候选者重新获得了物理学界的广泛关注。质量 M_PBH ≥ 10¹⁵ g 的原初黑洞可以通过霍金辐射发射能量 ≤ 10 MeV 的正负电子，可被视为稳定的宇宙线正负电子源。对于这类原初黑洞，可以通过搜寻霍金辐射产生的在天文学可观测量上的效应来限制其丰度。近日，中国科学院理论物理研究所杜晨炜和周宇峰研究员探索了通过星系弥散同步辐射限制原初黑洞丰度的可能性，并将相关成果发表在《理论物理（英文）》，题为 Constraints on primordial black holes from galactic diffuse synchrotron emissions 。

宇宙线正负电子在传播过程中会受到多种物理过程的影响，其中扩散重加速（Diffusive Re-acceleration）效应能够显著改变低能宇宙线的能谱。在一类以显著的Alfven速度V_a~O(10) km/s 为特征的扩散重加速宇宙线传播模型中，由于与银河系随机扰动的磁场散射产生的二阶费米加速效应，由原初黑洞蒸发产生的具有~10 MeV初始能量的正负电子可在传播过程中被加速至~ 100 MeV。另一方面，星系弥散同步辐射由宇宙线正负电子在星系磁场传播的过程中产生。对频率~20 MHz的星系弥散同步辐射的观测可以间接测量星际空间中能量~100 MeV的宇宙线正负电子流强。因此，在扩散重加速模型下，星系弥散同步辐射可以对原初黑洞丰度提供有意义的限制。

最近的数十年以来，宇宙线测量实验在测量精度、能量广度和粒子分辨能力等方面有了巨大的进步，为宇宙线产生和传播的理论研究提供了有力的支持。其中AMS-02实验提供了对宇宙线主要核素能谱在GV到TV刚度范围内最为精确的测量。而Voyager-1探测器自2012年8月起飞出了日球层，提供了当前仅有的对星际空间中宇宙线主要核素能谱的直接测量。该研究利用了最新的AMS-02和Voyager-1的宇宙线B/C（硼/碳）流强比数据，采用贝叶斯参数估计方法拟合了一系列参考传播模型的参数。参数拟合的结果显示，具有显著的V_a ~20 km/s的扩散重加速模型能很好地解释当前的B/C流强比数据。该研究发现，基于参考传播模型，V_a ~20 km/s足够使一部分由原初黑洞蒸发产生的正负电子在传播过程中被加速到~ 100 MeV，而由这部分正负电子产生的同步辐射信号可以被低频射电连续谱巡天的数据（22 MHz - 1.4 GHz）限制。另外，在扩散重加速模型下，得到了对原初黑洞丰度的严格限制。其中最保守的限制在M_PBH ≥ 1×10¹⁶ g的范围内比由Voyager-1全电子数据得到的限制^[1]强一个数量级以上；同时，在M_PBH ≥ 2×10¹⁶ g的范围内也比该研究团队此前由AMS-02正电子数据得到的限制^[2]更为严格。

图1：单色质量函数的情况下一些对f_PBH的限制。其中蓝色实线为该研究的代表性结果，紫色虚线为由Voyager-1全电子数据得到的限制^[1]，红色实线为该研究团队此前由AMS-02正电子数据得到的限制^[2]。

此文被《理论物理（英文）》评为编辑推荐文章（CTP Editor's suggestion）。
在中国大陆境内点击以下链接可免费获取：https://ctp.itp.ac.cn/EN/10.1088/1572-9494/ae56de
在中国大陆之外可点击以下链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1572-9494/ae56de

参考文献
[1] Mathieu Boudaud and Marco Cirelli. Voyager 1 e± Further Constrain Primordial Black Holes as Dark Matter. Phys. Rev. Lett., 122(4):041104, 2019.
[2] Jia-Zhi Huang and Yu-Feng Zhou. Constraints on evaporating primordial black holes from the AMS-02 positron data. Phys. Rev. D, 111(8):083525, 2025.