[論文レビュー] Primordial Black Hole Dark Matter and LIGO/Virgo Merger Rate from Inflation with Running Spectral Indices.

Kazunori Kohri, Takahiro Terada|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、走るスペクトル指数を伴うインフレーションモデルを用いて、初期ブラックホール（PBHs）がダークマターの源であり、LIGO/Virgoの二重ブラックホール合体事象の起源である可能性を調査している。インフレーション期に放射支配の時代に起因する約10太陽質量のPBHsは、走るスペクトル指数の走る値がβ_s ≈ 0.03である場合、観測された合体率を説明できる。一方、初期物質支配の時代に起因する小惑星質量のPBHsは、特定の走るパラメータ条件のもとで、すべてのダークマターを説明できる。

ABSTRACT

We study possibilities to explain the whole dark matter abundance by primordial black holes (PBHs) or to explain the merger rate of binary black holes estimated from the gravitational wave detections by LIGO/Virgo. We assume that the PBHs are originated in radiation- or matter-dominated era from large primordial curvature perturbation generated by inflation. We take a simple model-independent approach considering inflation with large running spectral indices which are parametrized by $n_ ext{s}, \alpha_ ext{s}$, and $\beta_ ext{s}$ with being satisfying the observational bounds on them. The merger rate is fitted by PBHs with masses of $\mathcal{O}(10)$ $M_{\odot}$ produced in the radiation-dominated era. Then the running of running should be $\beta_ ext{s} \sim 0.03$, which can be tested by future observation. On the other hand, the whole abundance of dark matter is consistent with PBHs with masses of asteroid ($\mathcal{O}(10^{-17})~M_{\odot}$) produced in an early matter-dominated era if a set of running parameters are properly realized.

研究の動機と目的

• 初期ブラックホール（PBHs）が全ダークマター密度を説明できるかどうかを特定すること。
• インフレーション期に形成されたPBHsが、LIGO/Virgoで観測された二重ブラックホール合体の観測された合体率を説明できるかどうかを評価すること。
• インフレーションモデルにおける走るスペクトル指数の役割が、必要な初期曲率摂動を生成する方法を探ること。
• 観測的制約のもとで、放射支配または物質支配の時代におけるPBH形成の妥当なパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• スカラースペクトル指数$n_s$、走る$\alpha_s$、および走る走る$\beta_s$の3つのスペクトルパラメータを用いた、モデルに依存しないインフレーションアプローチを採用する。
• 観測的制約を用いて、$n_s$、$\alpha_s$、$\beta_s$の制限を適用し、妥当なインフレーションモデルを制限する。
• 放射支配または物質支配の時代におけるインフレーション期に生成された大きな初期曲率摂動からPBH形成をモデル化する。
• 放射支配の時代に形成された$\mathcal{O}(10)~M_\odot$のPBHsを用いて、観測されたLIGO/Virgo二重ブラックホール合体率をフィットする。
• 初期物質支配の時代に形成された小惑星スケールの質量（$\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$）のPBHsによるダークマター密度を評価する。
• 観測合体率とダークマター制約に一致させるために必要な$\beta_s$の値を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期に形成されたPBHsは、全ダークマター密度を説明できるか。どのような条件下でか？
• RQ2 約10太陽質量のPBHsは、LIGO/Virgoが観測した二重ブラックホール合体の観測された合体率を説明できるか？
• RQ3 放射支配の時代におけるLIGO/Virgo合体率に一致させるために、走るスペクトル指数$\beta_s$の値は何か？
• RQ4 物質支配の時代における全ダークマターを説明できるようにするための$n_s$、$\alpha_s$、$\beta_s$のパラメータの組み合わせは何か？
• RQ5 今後の観測は、合体率説明のための予測値$\beta_s \sim 0.03$をどのように検証できるか？

主な発見

• 放射支配の時代に形成された$\mathcal{O}(10)~M_\odot$のPBHsは、走るスペクトル指数の走る値が$\beta_s \sim 0.03$である場合、観測されたLIGO/Virgo二重ブラックホール合体率を説明できる。
• この$\beta_s \sim 0.03$の値は、今後の重力波観測によって検証可能である。
• 初期物質支配の時代におけるインフレーションパラメータ$n_s$、$\alpha_s$、$\beta_s$を適切に調整すれば、小惑星スケールの質量（$\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$）のPBHsが全ダークマター密度を説明できる。
• モデルに依存しないアプローチにより、現在のスペクトル指数に関する観測的制約と整合性が保たれている。
• 結果は、大きな走るスペクトル指数を伴うインフレーションが、PBHsを介して合体率とダークマター密度の両方を同時に説明できることを示している。
• 放射支配と物質支配の時代におけるPBH形成の、それぞれ異なるパラメータ領域が同定され、それぞれが異なる観測的制約と整合的である。