[論文レビュー] Lunar Mass Black Holes from QCD Axion Cosmology

Tanmay Vachaspati|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、QCDオクシオン宇宙論のシナリオにおいて、Peccei-Quinn対称性の破れ後に形成される宇宙ひもとドメイン壁の破壊と収縮から、月質量のブラックホール（$\sim 10^{-8}\,M_\odot$）が生成され得ると提案している。ブラックホール生成確率は低いが、その確率が小さすぎなければ、生成されたブラックホールはダークマターに顕著な寄与を示す可能性がある。しかしこれまでのシミュレーションでは、観測的意義を持つには数密度が低すぎる可能性がある。

ABSTRACT

In the QCD axion scenario, a network of domain walls bounded by cosmic strings fragments into pieces. As these fragments collapse, some of them will form black holes. With standard QCD axion parameters, the black holes will have lunar masses ($M_{ m bh} \sim 10^{-8}\, { m M}_\odot$). Even though their number density is difficult to estimate, arguments suggest that they can constitute a reasonable fraction of the critical cosmological density.

研究の動機と目的

• QCDオクシオン宇宙論フレームワークにおけるドメイン壁断片の収縮からブラックホールが形成されるプロセスを調査すること。
• これらのブラックホールがダークマターの臨界密度の非無視可能な割合を占め得るかどうかを評価すること。
• ストリング・ウォールネットワークの破壊に伴うブラックホール生成確率を、角運動量制約を考慮して評価すること。
• 得られたブラックホール質量スペクトルとエネルギー密度を、特にマイクロレンズ制約と照らし合わせ、観測的制約と比較すること。
• 標準的QCDオクシオンモデル以外の代替的オクシオンモデルにおけるこのメカニズムの妥当性を検討すること。

提案手法

• Peccei-Quinnスケールでの大域U(1)対称性の自発的破れを想定し、QCDオクシオンのシナリオをモデル化することで、宇宙ひもとドメイン壁が生成されることを記述する。
• オクシオンのダイナミクスをサイン・ゴルドンポテンシャルで記述し、ドメイン壁の張力 $\sigma = 8m_a f_{\rm PQ}^2$ を計算するが、補正項を加えると $8.97m_a f_{\rm PQ}^2$ となる。
• 壁の収縮開始時刻を $m_a(t_H)t_H = 1$ の条件から推定し、$T_H \sim 2\,\text{GeV}$ を得る。これは重力的収縮の開始を示す。
• ReesとVilenkinの角運動量議論を適用し、ブラックホール生成確率 $p_{\rm bh}$ を推定する。独立成分と相関成分のそれぞれについて $J_{\rm max}/J \sim 4\times10^{-3}$ および $J_{\rm max}/J \sim 2\times10^{-3}$ を仮定する。
• 放射時代と物質時代を経る過程を考慮し、臨界密度に対するブラックホールエネルギー密度を $\Omega_{\rm bh}(t_0) \approx 2\times10^{-8}p_{\rm bh}f_*$ として計算する。
• 予測された $\Omega_{\rm bh}(t_0)$ をマイクロレンズ制約（$\Omega_{\rm bh}(t_0) \lesssim 0.01$）と照らし合わせ、ダークマターへの意味を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDオクシオンのストリング・ウォールネットワークから生じるドメイン壁断片が、$10^{-8}\,M_\odot$ 前後の質量を持つブラックホールに収縮できるか？
• RQ2 角運動量制約を考慮した場合、収縮するドメイン壁からブラックホールが生成される確率 $p_{\rm bh}$ はどの程度か？
• RQ3 これらのブラックホールが占める臨界密度の割合はどの程度で、宇宙論的およびマイクロレンズ制約と整合的か？
• RQ4 ドメイン壁膜の初期面積分布にどのように依存するか、ブラックホール質量スペクトルは変化するか？
• RQ5 パrametersが異なる代替的オクシオン様粒子モデルにおいて、このメカニズムは成立可能か？

主な発見

• 月質量ブラックホール（$M_{\rm bh} \sim 10^{-8}\,M_\odot$）は、QCDオクシオンシナリオにおけるドメイン壁断片の収縮から生成され得る。
• 独立な角運動量成分を仮定した場合、ブラックホール生成確率は $p_{\rm bh} \sim 10^{-7}$ と推定され、$\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 10^{-7}f_*$ となる。
• より現実的な相関角運動量の見積もりでは $p_{\rm bh} \sim 2\times10^{-3}$ となり、$\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 4\times10^{-3}f_*$ となる。
• 得られたエネルギー密度 $\Omega_{\rm bh}(t_0)$ は1未満であり、マイクロレンズ制約（$\Omega_{\rm bh}(t_0) \lesssim 0.01$）を著しく超えない。
• もし $\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 0.01$ であれば、これらのブラックホールはコherentなオクシオン的ダークマターとともに、ダークマターの主要成分を占める可能性がある。
• ブラックホール質量スペクトルは指数的抑制を示し、初期膜面積分布の影響により、最も軽いブラックホールのみが関係する。