[論文レビュー] Formation of PBHs binaries and gravitational waves from their merge

Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 17被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、インフレーションによる密度揺らぎが潮汐力に与える影響を組み込みながら、放射支配時代における原始ブラックホール（PBH）二重星の形成を再評価する。PBHの合体率および関連する重力波バースト率は、従来の推定値と比較して約10倍に抑制され、PBHがダークマターのf ≈ 2×10⁻²を占める場合、LIGOのGW150914イベントと整合する。

ABSTRACT

It was shown by (Nakamura et al. 1997), (Ioka et al. 1998), and (Sasaki et al. 2016) that primordial black holes (PBHs) binaries can form effectively at the cosmological stage of radiation dominance, and the merge of PBHs in pairs can explain the gravitational wave burst GW150914. In this paper, the model is re-examined by considering the effect of inflationary density perturbations which produce additional tidal forces. As a result, the merge rate of PBHs binaries and the corresponding rate of gravitational bursts are suppressed by about one order of magnitude in comparison with previous calculations. The rate matches the LIGO data if the PBHs constitute f ∼ 2× 10 − 2× 10 fraction of dark matter.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）二重星の形成レートを、放射支配時代に再評価すること。
• インフレーションによる密度揺らぎが潮汐力に与える影響、およびそれによるPBH二重星の動的挙動への影響を調査すること。
• 得られるPBHの合体率が、重力波イベントGW150914を説明可能かどうかを評価すること。
• LIGO観測と整合性を持つために、新しいモデル下で必要なダークマター中のPBH割合を特定すること。

提案手法

• インフレーションによる密度揺らぎを、PBH二重星に作用する追加の潮汐力の源として組み込む。
• 放射支配時代におけるこれらの潮汐力の下でのPBH二重星の動的進化を再分析する。
• 初期宇宙の密度揺らぎがPBH対の形成と束縛に与える影響を、宇宙論的揺らぎ理論を用いてモデル化する。
• Nakamuraら（1997）、Ioka ら（1998）、Sasaki ら（2016）の先行研究で用いられたフレームワークを踏襲するが、インフレーション由来の潮汐補正を追加する。
• 修正された潮汐力によるPBH合体率の抑制係数を計算する。
• 得られた合体率をGW150914の観測レートと比較し、PBHのダークマター中での割合を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーションによる密度揺らぎは、原始ブラックホール二重星に作用する潮汐力にどのように影響するか？
• RQ2 インフレーション揺らぎに起因する潮汐力が含まれる場合、PBH二重星の合体率はどの程度抑制されるか？
• RQ3 修正された合体率は、観測された重力波イベントGW150914と一致するか？
• RQ4 新しいモデル下で、LIGOデータと整合するためには、ダークマターのどの程度がPBHで構成されている必要があるか？
• RQ5 インフレーション由来の潮汐効果を組み込むことで、PBH二重星形成および合体率に関する従来の予測はどのように変化するか？

主な発見

• インフレーションによる密度揺らぎに起因する潮汐力の組み込みにより、PBH二重星の合体率は、従来の推定値と比較して約1桁（10倍）抑制される。
• 抑制要因は、放射支配時代における潮汐応力によるPBH対の動的破壊が強化されるため生じる。
• PBHがダークマター予算のf ≈ 2×10⁻²を占める場合、修正された合体率はGW150914の観測レートと一致する。
• モデルはGW150914を説明可能であるが、PBHがダークマターのわずかだが無視できない割合（約2%）を占める場合に限る。
• 抑制効果は顕著であり、初期の過剰予測をLIGOの観測制約と調和させるのに十分である。