[論文レビュー] Primordial Black-Hole and Macroscopic Dark-Matter Constraints with LISA

Florian Kühnel, Glenn D. Starkman+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、LISA宇宙望遠鏡を用いて、原始ブラックホールおよび巨視的ダークマター候補がいて、その質量が太陽質量の約8.3×10⁻²¹ M☉にまで低減可能である場合、それらが銀河中心のSagittarius A*に近づく際に発生する重力波の検出可能性を調査している。特に核密度を有するマクロ粒子では、2×10²⁰ g から 4×10²⁴ g の間の未検証領域を効果的に探査でき、ダークマターの大部分を占める場合に、LISAはこの領域の重力波のストキャスティック背景を検出可能である。

ABSTRACT

The detectability of gravitational waves originating from primordial black holes or other large macroscopic dark-matter candidates inspiraling into Sagittarius ${ m A}^{\!*}$ is investigated. It is shown that LISA should be a formidable machine to detect the stochastic signal from the accumulated collection of such objects that have been gravitationally captured by Sgr$\,{ m A}^{\!*}$, provided they have masses above $\sim 10^{-20}\,M_{\odot}$. This is especially so, if they are the main component of the dark matter, and the dark-matter density at Sagittarius ${ m A}^{\!*}$ exceeds its value in the solar-neighborhood. Notably, the window of mass that is unconstrained by various gravitational lensing arguments and observations, $2 imes 10^{20}\,{ m g} \leq m_{ m DM} \leq 4 imes 10^{24}\,{ m g}$, will be accessible. Forecasts are derived for the event rates and signal strengths as a function of dark-matter mass, assuming that the dark-matter candidates are not tidally disrupted during the inspiral. This is certainly the case for primordial black holes, and it shown that it is also very likely the case for candidate objects of nuclear density.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホールおよび巨視的ダークマター候補がSagittarius A*に近づく際に発生する重力波信号の検出可能性を評価すること。
• LISAが広範なダークマター質量範囲においてその信号にどの程度感度を持つのかを特定すること。
• 現在の観測制約が弱いかない、特に2×10²⁰ g から 4×10²⁴ g の間の質量窓を特定すること。
• 超大質量ブラックホールに近づく過程で、さまざまなダークマター候補が潮汐破壊を受けるリスクを評価すること。
• ダークマター質量および局所的密度の関数として、LISAのイベントレートと信号強度を予測すること。

提案手法

• 本研究では、Sagittarius A*に捕獲された巨視的ダークマター物体の集団的近づきによって生じるストキャスティックな重力波背景をモデル化している。
• 極端に質量比が大きい近づき（EMRI）のエネルギー損失率を用いて、重力波信号の特徴的な振幅を導出している。ただし、潮汐破壊はないと仮定している。
• 期待される信号強度とイベントレートを計算するために、ダークマター密度プロファイルと速度分散（マクスウェル分布としてモデル化）を組み込んでいる。
• さまざまなダークマター分率と速度分散に対して、最小検出可能ダークマター質量を特定するために、信号対雑音比基準を適用している。
• 潮汐破壊限界は、シュバルツシルト半径における潮汐加速度とマクロ物体の自己重力との比較によって評価している。
• 閉形式の式を用いて、ダークマター密度、速度分散、LISAの積分時間の要因を組み込んだ、下限質量閾値を導出している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LISAは、Sagittarius A*に捕獲された原始ブラックホールまたは巨視的ダークマター候補から発生するストキャスティックな重力波背景を検出可能か？
• RQ2 LISAの感度と積分時間を考慮した場合、最小でどの程度のダークマター質量を探査可能か？
• RQ3 近づき過程におけるマクロ粒子の潮汐破壊が、重力波信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 他の手法が無力である2×10²⁰ g から 4×10²⁴ g の間のダークマター分率を、LISAはどの程度制約できるか？
• RQ5 ダークマターの速度分散および局所的密度の変動が、ストキャスティック信号の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• LISAは、局所的ダークマター密度の大部分を占める場合、質量が約8.3×10⁻²¹ M☉の巨視的ダークマター候補からの重力波信号を検出可能である。
• 検出可能な質量窓は、原始ブラックホールの蒸発閾値（約10¹⁵ g）を下回っており、LISAは長寿命で低質量のダークマター候補に感度を持つ。
• ストキャスティック背景は、Sgr A*におけるダークマター密度が太陽系近傍の値の約10⁴倍以上で、速度分散が約100 km/sのとき最も検出可能である。
• 核密度マクロは潮汐破壊に対して強く、信号の全量が放出されるが、原子密度マクロは事前にホライズンに到達する前に破壊される可能性が高い。
• 2×10²⁰ g から 4×10²⁴ g（10⁻¹³ M☉ から 2×10⁻⁹ M☉）の未検証質量窓はLISAによってアクセス可能であり、これにより他の手法ではカバーできない領域が探査可能となる。
• 信号強度とイベントレートは、ダークマター密度および速度分散に強く依存しており、これらの値が高いほど検出可能性が向上する。