[論文レビュー] Detecting the gravitational wave background from primordial black hole dark matter

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 45被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、質量関数、集団化、初期離心率、速度分散を考慮した初期ブラックホール（PBH）二重星の確率的重力波背景（GWB）を計算している。広範なPBH質量関数はGWBの振幅を著しく増大させ、LISAやSKA PTAによる検出が可能になる。特徴的な低周波数の折り返し（turnover）が、天体物理学的背景と明確に区別できる。

ABSTRACT

The black hole merging rates inferred after the gravitational-wave detection by Advanced LIGO/VIRGO and the relatively high mass of the progenitors are consistent with models of dark matter made of massive primordial black holes (PBH). PBH binaries emit gravitational waves in a broad range of frequencies that will be probed by future space interferometers (LISA) and pulsar timing arrays (PTA). The amplitude of the stochastic gravitational-wave background expected for PBH dark matter is calculated taking into account various effects such as initial eccentricity of binaries, PBH velocities, mass distribution and clustering. It allows a detection by the LISA space interferometer, and possibly by the PTA of the SKA radio-telescope. Interestingly, one can distinguish this background from the one of non-primordial massive binaries through a specific frequency dependence, resulting from the maximal impact parameter of binaries formed by PBH capture, depending on the PBH velocity distribution and their clustering properties. Moreover, we find that the gravitational wave spectrum is boosted by the width of PBH mass distribution, compared with that of the monochromatic spectrum. The current PTA constraints already rule out broad-mass PBH models covering more than three decades of masses, but evading the microlensing and CMB constraints due to clustering.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）二重星が生成する確率的重力波背景（GWB）を、暗黒物質候補としてモデル化すること。
• PBHの集団化、質量関数、初期離心率、速度分散がGWBの振幅およびスペクトル形状に与える影響を調査すること。
• 質量関数や集団化に起因する周波数依存の特徴を用いて、PBH由来のGWBを天体物理学的背景から区別すること。
• LISAやPTAといった将来的な観測装置によるPBH由来GWBの検出可能性を評価すること、特に非単一質量関数の下での検出可能性を重点的に検討すること。
• CMB、微小強調、パルサー計時配列（PTA）からの現在の制約を踏まえ、PBH暗黒物質モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 初期宇宙における重力的捕獲によってPBH二重星が形成されるプロセスをモデル化し、PBHの速度と質量関数によって決まる最大衝突パラメータに制約を加える。
• 捕獲から合体までのPBH二重星の進化をシミュレートし、重力波の放射と軌道の崩壊を含む。
• PBHに対して対数正規分布を導入し、スペクトルの広がりが単一質量モデルに比べてGWBの振幅を増大させることを示す。
• 初期離心率を組み込み、重力波放射による迅速な減衰を考慮し、長期的なGWBスペクトルへの影響を軽減する。
• LISAおよびPTAの周波数帯域におけるGWBパワースペクトルを計算し、PBHの集団化が合体率を抑制するが、局所的信号強度を増強することを反映する。
• 予測されたGWBを天体物理学的背景と比較し、捕獲シナリオにおける初期軌道分離の有限範囲に起因する特徴的な低周波数の折り返しを強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始ブラックホールの広範な質量関数は、確率的重力波背景の振幅およびスペクトル形状にどのように影響するか？
• RQ2 PBH二重星由来の重力波背景は、周波数依存性に基づいて天体物理学的二重ブラックホール背景と区別可能か？
• RQ3 PBHの集団化と速度分散は、PBH由来GWBの検出可能性にどのような役割を果たすか？
• RQ4 微小強調やCMBからの現在の観測的制約を踏まえると、広範な質量関数を持つPBH暗黒物質モデルはどの程度許容可能か？
• RQ5 将来的な宇宙望遠鏡（LISA）および地上望遠鏡（SKA PTA）によるPBH由来GWBの検出は可能か？

主な発見

• PBH質量関数が広範である場合、低質量二重星からの寄与により、単一質量モデルの予測をはるかに上回るGWB振幅が得られ、確率的重力波背景が著しく増幅される。
• GWBスペクトルには、重力的捕獲による初期軌道分離の物理的限界に起因する特徴的な低周波数の折り返しが現れ、天体物理学的背景には見られない。
• PBH由来GWBは、単一質量分布でさえもLISA宇宙干渉計によって検出可能であり、広範な質量関数をとる場合には極めて高い検出可能性を示す。
• 質量関数や集団化特性に依存するが、SKAパルサー計時配列（PTA）でもGWBの検出が可能である可能性がある。
• 初期軌道の離心率は、重力波放射による減衰時間が1周期未満という短時間で進行するため、最終的なGWBスペクトルに顕著な影響を及ぼさない。
• 現在のPTAの制約は、質量が6デケード以上にわたる質量関数を持つPBHモデルをすでに除外しているが、ハローに集団化されたPBHであれば、微小強調およびCMBの制約を回避でき、モデルが成立する。