[論文レビュー] GW190425, GW190521 and GW190814: Three candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

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

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 34

ひとこと要約

論文はGW190425, GW190521, GW190814のイベントが、密集したハロー内での潮汐捕捉によって形成された原始ブラックホールのQCDエポック印字質量分布の mergers によって説明可能であると主張し、ダークマター制約との整合性を論じる。

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.. Moreover, the recent event GW190521 has black hole components with masses 67 and $91~M_\odot$, and therefore lies in the so-called pair-instability mass gap, where there should not be direct formation of stellar black holes. The possibility that all of these compact objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that 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, GW190521 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos in the matter era or in the early universe. 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

• PBHシナリオを、質量が下限・上限のギャップにある unexpected GW イベントの説明として動機づける。
• QCD時代のPBH質量分布がプロトン峰（約2–3 Msun）とパイオン bumps（約30–50 Msun）を特徴とし、これが観測質量とどのように一致するかを示す。
• PBH二重星形成チャネル（dense halosでの潮汐捕捉 vs 初期宇宙の binaries）
• 観測された merger rateを既存の制約を破らずに再現できるかを評価する。
• PBHダークマターシナリオと microlensing などの制約を満たすためのクラスタリング要件について議論する。

提案手法

• QCD転移によって印字されたPBH質量分布を採用し、2–3 Msunのプロトン峰と30–50 Msunのパイオン bumpsを設定する。
• dense halosでの潮汐捕捉により形成されたPBH binariesの merger rate分布を計算する：dτ/dln m1 dln m2 = R_clust. f(m1) f(m2) (m1+m2)^{10/7}/(m1 m2)^{5/7} yr^{-1} Gpc^{-3}.
• 形成時のポアソン分布近さによる初期宇宙 binaries の形成を探る：dτ/dln m1 dln m2 ≈ 1.6×10^6 Gpc^{-3} yr^{-1} f(m1) f(m2) f_sup × [(m1+m2)/Msun]^{-32/37}[(m1 m2)/(m1+m2)^2]^{-34/37} の抑制因子を含む。
• 物質揺らぎや近傍PBH、PBHクラスターによる binaries破壊を考慮する抑制因子f_supとf_PBHを導入し、質量依存性やf_PBH依存性を議論する。
• 予測されるratesをGW190425、GW190814、GW190521の適合やLIGO/Virgo制限と比較して、PBHシナリオの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD転移印字PBH質量関数はGW190425、GW190814、GW190521の質量を説明できるか？
• RQ2 dense halosでの潮汐捕捉によるPBH binariesまたは初期宇宙形成による binariesは、LIGO/Virgo観測と制約に適合するmerger rateを生み出すか？
• RQ3 microlensingその他天体制約と整合させるためには、PBHのクラスタリングと抑制因子はどの程度必要か？
• RQ4 現在の境界を破らずに、PBHが全体または大部分のダークマターを占め得るのか？

主な発見

• QCDプロトン峰とパイオン bumps を持つPBH質量分布は、GW190425、GW190814、GW190521と適合する成分質量を生じさせる。
• dense halosで形成されたPBH binariesからのmerger rateは、一次質量が5 Msun超え、q>0.2 の場合、R_clust ≈ 400–450 のとき、約20 yr^{-1} Gpc^{-3程度となり、90%信頼区間内でGW190425、GW190521、GW190814と一致する。
• PBHsが十分に強くクラスタリングされていないと microlensing や他の制約を回避できず、ダークマターの significant fraction あるいは全体を説明するには条件が厳しい。
• 初期宇宙 binaries のみでは3つのイベントと大質量レートを説明できず、追加のクラスタリングまたはチャネルが必要である。
• サブソーラ質量のPBH mergersは現在の制限と整合しており、質量に応じて予測されるratesはO(10^3) yr^{-1} Gpc^{-3} に達する可能性があるが、拡張質量関数とクラスタリングを考慮すると観測上の制約と整合する。