[論文レビュー] GW190425 and GW190814: Two candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、GW190425 および GW190814 が、QCD遷移期に形成された原始ブラックホール（PBH）の合体である可能性を提案している。この時期には、約 2 M⊙ 付近に PBH の形成ピークが存在する。観測された合体レートと質量は、物質-放射均衡以前に形成された PBH 双重星系または高密度ハロー内での動的捕獲による PBH 双重星系と整合しており、PBH が十分に集積化されていれば、すべてまたは一部の暗黒物質を占め得る。

ABSTRACT

The two recent gravitational-wave events GW190425 and GW190814 from the third observing run of LIGO/Virgo have both a companion which is unexpected if originated from a neutron star or a stellar black hole, with masses $[1.6-2.5]~M_\odot$ and $[2.5-2.7]~M_\odot$ and merging rates $ 460^{+1050}_{-360} $ and $ 7^{+16}_{-6}$ events/yr/Gpc$^3$ respectively, at 90\% c.l.. The possibility that these objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that the PBH formation is boosted at the time of the QCD transition, inducing a peak in their distribution at this particular mass scale, and a bump around $30-50~M_\odot$. We find that the merging rates inferred from GW190425 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos or before matter-radiation equality. At the same time, the rate of black hole mergers around $30~M_\odot$ and of sub-solar PBH mergers do not exceed the LIGO/Virgo limits. Such PBHs could explain a significant fraction, or even the totality of the Dark Matter, but they must be sufficiently strongly clustered in order to be consistent with current astrophysical limits.

研究の動機と目的

• 重力波イベント GW190425 および GW190814 が中性子星や恒星質量ブラックホールではなく、原始ブラックホール（PBH）由来である可能性を調査すること。
• これらのイベントの観測された質量と合体レートが、QCD相転移期における PBH の形成と整合するかどうかを評価すること。
• 合体レートと集積に関する現在の天体物理学的制約を考慮した上で、PBH が暗黒物質候補として成立するかを評価すること。

提案手法

• QCD遷移期に特徴的な PBH 質量関数をモデル化し、約 2 M⊙ にピークが存在し、30–50 M⊙ に二次的なピークが現れるようにする。
• 初期宇宙の熱的歴史を用いて、QCD遷移期における PBH 形成レートを計算する。
• 物質-放射均衡以前の原始的集積または高密度ダークマターハロー内での動的捕獲によって形成された PBH 双重星系からの合体レートを推定する。
• 予測された合体レートを、90%信頼区間での LIGO/Virgo の上限と比較する。
• 現在の天体物理学的観測からの制約を適用し、PBH がこれらのイベントを説明するための集積要件を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW190425 および GW190814 の同伴の質量は、QCD相転移期に形成された原始ブラックホールによって説明可能か？
• RQ2 GW190425 および GW190814 の観測された合体レートは、捕獲または原始的集積による PBH 双重星系の形成と整合的か？
• RQ3 約 30 M⊙ および太陽質量未満の PBH 合体の推定レートは、LIGO/Virgo の観測上限を超えないか？
• RQ4 PBH が現在の天体物理学的制約と整合しながら、すべてまたは一部の暗黒物質を占め得るか？

主な発見

• GW190425 および GW190814 の同伴の観測質量（それぞれ [1.6–2.5] M⊙ および [2.5–2.7] M⊙）は、QCD遷移期における PBH 形成ピークと整合的である。
• 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₆₀ および 7⁺¹⁶₋₆ 件/年/Gpc³ の推定合体レートは、高密度ハロー内での捕獲または物質-放射均衡以前の原始的集積によって形成された PBH 双重星系と整合的である。
• 約 30 M⊙ および太陽質量未満の PBH 合体のレートは、LIGO/Virgo の上限を超えておらず、PBH が暗黒物質候補として成立する可能性を支持する。
• PBH が暗黒物質の顕著な割合、あるいは全量を占め得るが、これは現在の天体物理学的制約を満たすために十分に強く集積化されている必要がある。