[論文レビュー] G objects as Primordial Black Hole-Neutron Star Remnants: Population Modeling and Multi-Wavelength Observables

David Morales-Zapien, Stefano Profumo|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2026

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ひとこと要約

本論文は、銀河中心近傍のGオブジェクトがPBH-NS残骸である可能性を提案し、人口モデルと多波長観測シグネチャを用いてこのシナリオを検証する。

ABSTRACT

The nature of the so-called G objects orbiting the Galactic Center remains unresolved. These sources exhibit compact Br$γ$ emission, extreme infrared colors, and remarkable dynamical stability through close passages to the central supermassive black hole, challenging conventional interpretations as stars or unbound gas clouds. We investigate the hypothesis that G objects are the remnants of neutron stars that have been converted into low-mass black holes through the capture of primordial black holes, a viable dark-matter candidate. We construct a population-level framework linking the abundance and spatial distribution of these remnants to the neutron-star population, the inner dark-matter density profile, and the primordial black-hole mass and abundance. Within this framework, the observed G-object population and the long-standing deficit of ordinary radio pulsars in the Galactic Center emerge as complementary consequences of the same conversion process. We further identify a suite of observational signatures-across infrared, radio, X-ray, and microlensing channels-that render this scenario empirically testable and distinguishable from stellar-envelope models. Our results show that G objects can act as sensitive probes of compact-object capture physics and of dark matter on sub-galactic scales.

研究の動機と目的

• Gオブジェクトの謎を動機づけ、PBHによるNS転換がそれらを説明し得るかを探る。
• GオブジェクトをNS人口、内側DM密度、PBH特性へ結びつける人口レベルの枠組みを構築する。
• 赤外・無線・X線・マイクロレンズ効果の各チャンネルにおける転換率と観測シグネチャを定量化する。
• GCのGオブジェクト総数と観察バイアス・選択効果の完全性を評価し、反証可能な予測を特定する。

提案手法

• 4成分のミルキーウェイモデル（ディスク、バルジ、核星円盤、核星団）を構築し、局所NS密度を推定する。
• 中心部でのPBH捕捉率をモデル化するため、中央にカスプを持つ2段階DMプロファイルを採用する。
• PBH捕捉・沈降・吸収のタイムスケールを計算し、NS転換の時間スケールt_conを得る。
• PBH誘起NS転換をポアソン過程としてモデル化し、Υ(r)=1−exp(−t_MW/⟨t_con(r)⟩)として統合してGオブジェクト数を得る。
• PBH質量分率f_DM、PBH質量M_PBH、およびNS集団を、予測されるGオブジェクト数とGCパルサー欠如と結びつける。
• PBH残骸シナリオを検証するための多波長観測シグネチャ（IR、無線、X線、マイクロレンズ、偏光）を同定する。

Figure 1: Timescales for PBH-neutron star conversions for $\alpha=2$ , $f_{\rm DM}=1$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PBH捕捉とその後のNS転換はGC内で観測されるGオブジェクトの数と分布を再現できるか。
• RQ2 銀河内部DM密度勾配とNS密度がPBH駆動NS転換率とGオブジェクト集団にどのような影響を与えるか。
• RQ3 PBH誘発の転換はGCの無線パルサー集団を著しく枯渇させるか、観測と整合するか。
• RQ4 IR・無線・X線・マイクロレンズ効果・偏光など、PBH残骸のGオブジェクトを星間エンベロープモデルと識別する明確な観測シグネチャは何か。

主な発見

• GオブジェクトはGC適応型の多成分銀河モデルのもと、PBH駆動NS転換から生じ得る。
• 効率的なPBH誘起転換には鋭い内側DMカスプ（α ≈ 2）が必要で、GCから約0.1pc以下の領域に限定される；それ以外の広範なパルサー欠如は未解決。
• NSがGオブジェクトへ転換する確率はPBH捕捉率とNS密度に左右され、観測可能領域内ではごく一部のNSのみが転換する。
• 楽観的パラメータ（f_DM=1、N_NS,MW≈10^9）でもPBH→Gオブジェクト転換率は約100pcを超えると抑制され、GC集団への影響は限定的。
• IR・無線・X線・マイクロレンズ・偏光にわたる一連の観測診断がこのシナリオを経験的に検証し、星間エンベロープモデルと区別できる。

Figure 2: Cumulative neutron-star count predicted by a pulsar-calibrated 4 component Galactic model, normalized to a total neutron-star population $N_{\rm NS,tot}\sim 10^{8}$ .