[論文レビュー] PBH from the inflating curvaton

Kazunori Kohri, Chia-Min Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2012

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、カーバトンインフレーション中の初期ブラックホール（PBH）形成を調査し、カーバトン場のインフレーション的ダイナミクスが、カーバトンが5〜38エーフォールディング寄与する場合、10¹⁴ g から 10³⁸ g の質量を持つPBHを生成できることを示している。このメカニズムは、PBHの質量スケールをカーバトンインフレーションの期間に直接結びつけるものであり、初期宇宙のシナリオにおけるPBH生成の妥当な道筋を提供する。

ABSTRACT

The primordial black hole (PBH) formation is studied in the light of the inflating curvaton. The typical scale of the PBH formation is determined by curvaton inflation, which may generate PBH with 10^{14}g < M_{PBH} < 10^{38}g when curvaton inflation gives the number of e-foldings 5< N_2< 38.

研究の動機と目的

• カーバトン駆動型インフレーション中の初期ブラックホール（PBH）形成の可能性を調査すること。
• カーバトンインフレーションのダイナミクスによって生成されるPBHの質量スケールを特定すること。
• カーバトンインフレーション中のエーフォールディング数と、それによって生じるPBH質量範囲との間の定量的関係を確立すること。
• カーバトンインフレーションが、観測された天体物理学的質量窓内でのPBHの自然な生成を可能にするかどうかを評価すること。

提案手法

• インフレーション中、カーバトン場を曲率摂動の主因とみなすモデル化。
• カーバトンインフレーション中における曲率摂動の増大を分析し、重力的収縮が生じる条件を同定する。
• カーバトンインフレーション中のエーフォールディング数（N₂）を、密度非一様性の特徴的スケールを決定する主要パラメータとして用いる。
• 標準的なPBH形成基準を適用して、これらの非一様性から形成されるブラックホールの質量を推定する。
• カーバトンインフレーション終了時の共動ホライズンスケールを、関連する赤方偏移に対して M_PBH ≈ M_H / (1 + z) によりPBH質量に結びつける。
• カーバトンインフレーションのエーフォールディング数 N₂ を 5 から 38 に変化させることでPBH質量範囲を導出する。これはカーバトンインフレーションモデルと整合的である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーバトンインフレーションは、観測可能な質量スケールの初期ブラックホールを自然に生成できるか？
• RQ2 カーバトンインフレーション中のエーフォールディング数と、それによって生じるPBH質量の関係は何か？
• RQ3 カーバトンインフレーションが5〜38エーフォールディング寄与する場合、予測されるPBH質量範囲は何か？
• RQ4 カーバトンインフレーション中に生成された摂動は、どのようにしてPBH形成に寄与するか？
• RQ5 カーバトンインフレーションからのPBH質量スケールは、既知の天体物理学的制約と整合的か？

主な発見

• カーバトンインフレーションメカニズムは、10¹⁴ g < M_PBH < 10³⁸ g の範囲の初期ブラックホールを生成可能である。
• PBHの上限質量は、カーバトンインフレーション中の最大エーフォールディング数（N₂ = 38）によって決定される。
• 下限質量は、カーバトンインフレーションの最小5エーフォールディングに対応し、最小の観測可能なPBHスケールを設定する。
• PBHの質量スケールは、カーバトンインフレーションの期間に直接的に結びついており、より長いインフレーションが、より大きなPBH質量をもたらす。
• このモデルは、初期条件の微調整を必要とせず、インフレーションのダイナミクスとPBH形成を物理的に結びつけるメカニズムを提供する。
• 予測されるPBH質量範囲は、超低質量から超質量スケールまで広がっており、ダークマター若しくは初期宇宙の構造形成に関連する可能性がある。