[論文レビュー] Observational Evidence for Primordial Black Holes: A Positivist Perspective

B. J. Carr, Sébastien Clesse+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 427被引用数 23

ひとこと要約

このレビューは、レンズ効果、ダイナミクス、降着、重力波データにわたる原初黒 holes（PBHs）の観測的兆候を総括し、拡張質量関数を伴う統一PBHシナリオを主張する。

ABSTRACT

We review numerous arguments for primordial black holes (PBHs) based on observational evidence from a variety of lensing, dynamical, accretion and gravitational-wave effects. This represents a shift from the usual emphasis on PBH constraints and provides what we term a positivist perspective. Microlensing observations of stars and quasars suggest that PBHs of around $1\,M_{\odot}$ could provide much of the dark matter in galactic halos, this being allowed by the Large Magellanic Cloud microlensing observations if the PBHs have an extended mass function. More generally, providing the mass and dark matter fraction of the PBHs is large enough, the associated Poisson fluctuations could generate the first bound objects at a much earlier epoch than in the standard cosmological scenario. This simultaneously explains the recent detection of high-redshift dwarf galaxies, puzzling correlations of the source-subtracted infrared and X-ray cosmic backgrounds, the size and the mass-to-light ratios of ultra-faint-dwarf galaxies, the dynamical heating of the Galactic disk, and the binary coalescences observed by LIGO/Virgo/KAGRA in a mass range not usually associated with stellar remnants. Even if PBHs provide only a small fraction of the dark matter, they could explain various other observational conundra, and sufficiently large ones could seed the supermassive black holes in galactic nuclei or even early galaxies themselves. We argue that PBHs would naturally have formed around the electroweak, quantum chromodynamics and electron-positron annihilation epochs, when the sound-speed inevitably dips. This leads to an extended PBH mass function with a number of distinct bumps, the most prominent one being at around $1\,M_{\odot}$, and this would allow PBHs to explain many of the observations in a unified way.

研究の動機と目的

• PBHsがダークマターと宇宙論的構造形成に寄与することを示唆する観測的証拠を評価する。
• PBHのクラスタリング、レンズ効果、ダイナミクス、重力波が統一PBHシナリオにどう適合するかを評価する。
• 多様な宇宙観測を説明できる質量分布形状と形成時期を議論する。

提案手法

• 統一PBHフレームワーク内で多様な観測チャネル（マイクロレンズ、ダイナミクス、降着、GW）を統合します。
• Poissonクラスタリングとシード効果を用いてPBHの変動とクラスタ形成をモデル化します。
• PBHの質量、存在量、クラスタリングを観測信号（例：等方性でないゆらぎ、クラスタリングスケール）へ結ぶ数理関係を概説します。
• 初期宇宙の相転移に結びつく特徴を伴う拡張PBH質量分布を主張します。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張された質量分布が既存の制約を破らずにPBHsがダークマターの substantial fraction を提供できるか。
• RQ2 PBHのPoissonクラスタリングは構造形成、ミクロレンズ信号、重力波イベント率にどう影響するか。
• RQ3 特定の質量スケールでPBH形成を促進する初期宇宙の時代と音速の低下は何か（例：QCD、電弱、e+e−消滅）そしてそれらは観測とどう関連するか。
• RQ4 統一PBHシナリオは高赤方漸く星形成、CIB–XRB相関、UFDGの性質、LVK検出を一緒に説明できるか。

主な発見

• 拡張された質量分布を持つ太陽質量周辺のPBHsは、銀河ハロー中のかなりのダークマターを占め得る可能性があり、特定の質量分布仮定のもとでLMCミクロレンズと整合する。
• PBHからのPoisson変動は初期の大規模クラスタリングを生み、赤方偏移の高い領域で非線形構造の種となり、宇宙背景と初期の銀河形成に影響を与える可能性がある。
• PBHクラスタリングは超微謄（ウルトラファイント）に近い小天体銀河の特徴を説明でき、銀河ディスクの加熱やPBH併合率にも影響を与えLVKが観測する可能性がある。
• 統一PBHフレームワークは、SMBHの種付けや初期銀河形成を含む複数の宇宙論的謎に対処する可能性があるが、PBHがDMのごく小さな割合を占める場合でも適用可能である。
• 最も顕著なPBH質量特徴は約1太陽質量付近で、初期宇宙の特定の時代の音速の低下に起因し、多峰構造を持つ拡張質量分布を支持する。
• PBHクラスターは緩和、加熱、および蒸発の可能性を含む過程で進化し、現在のクラスタ規模と生存性を制約する動的時間尺度をもたらす。