[論文レビュー] Primordial Black Hole Formation during the QCD Epoch

Karsten Jedamzik|arXiv (Cornell University)|May 24, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、色閉じ込め転移期における圧力と音速の急激な低下により、初期ブラックホール（PBHs）がQCD時代に効率的に形成され得ると提案している。PBH質量関数は太陽質量約1 M☉付近にピークを示すことが示され、これはMACHOハロー物体の質量と一致しており、核合成および放射輝度制約を満たさないため、有効なダークマター候補を提供する。

ABSTRACT

We consider the formation of horizon-size primordial black holes (PBH's) from pre-existing density fluctuations during cosmic phase transitions. It is pointed out that the formation of PBH's should be particularly efficient during the QCD epoch due to a substantial reduction of pressure forces during adiabatic collapse, or equivalently, a significant decrease in the effective speed of sound during the color-confinement transition. Our considerations imply that for generic initial density perturbation spectra PBH mass functions are expected to exhibit a pronounced peak on the QCD-horizon mass scale $\sim 1 M_{\odot}$. This mass scale is roughly coincident with the estimated masses for compact objects recently observed in our galactic halo by the MACHO collaboration. Black holes formed during the QCD epoch may offer an attractive explanation for the origin of halo dark matter evading possibly problematic nucleosynthesis and luminosity bounds on baryonic halo dark matter.

研究の動機と目的

• QCD相転移期における初期ブラックホール（PBH）形成の効率を調査すること。
• 色閉じ込め転移期における圧力と音速の低下が重力収縮に与える影響を分析すること。
• 得られるPBH質量関数と銀河ハローにおけるダークマターへの影響を特定すること。
• QCD時代に形成されたPBHが、核合成制約に反しない形でMACHO観測を説明できるかを評価すること。
• このようなPBHが、バリオン的ダークマターに関する核合成および放射輝度境界を回避できるかを評価すること。

提案手法

• QCD時代における密度フラクチュエーションの断熱収縮を、音速が低減された有効状態方程式を用いてモデル化する。
• QCD転移時におけるホライズン質量スケールを計算し、これは約1 M☉に相当する。
• ホライズン質量に対する密度パラメトリックの振幅に基づいてPBH形成基準を適用する。
• 有効音速の低下を用いて、収縮およびPBH生成の効率の向上を推定する。
• 修正された状態方程式下で、一般初期パラメトリックスペクトルからのPBH質量関数を導出する。
• 予測されたPBH質量関数のピークが観測されたMACHOハロー物体の質量に一致するかを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相転移期における音速の低下は、初期ブラックホール形成にどのように影響するか？
• RQ2 QCD時代に形成されたPBHの特徴的な質量スケールは何か？
• RQ3 QCD転移時に形成されたPBHは、観測されたコンパクトハロー物体の質量分布を説明できるか？
• RQ4 QCD時代に形成されたPBHは、バリオン的ダークマターに関する核合成および放射輝度制約を満たすか？
• RQ5 一般初期スペクトルからのPBH質量関数は、QCDホライズン質量スケールに顕著なピークを示すと予想されるか？

主な発見

• 色閉じ込め転移期における有効音速の急激な低下により、初期ブラックホールの形成が顕著に促進される。
• PBH質量関数は、QCDホライズン質量スケールに対応する約1太陽質量付近に顕著なピークを示す。
• このピーク質量スケールは、銀河ハローでMACHO共同研究によって検出されたコンパクト物体の推定質量と非常に良好に一致する。
• QCD時代に形成されたPBHは、核合成および放射輝度制約を満たさないバリオン的ダークマターモデルを避ける有効なハローのダークマター説明を提供する。
• モデルは、一般初期密度フラクチュエーションスペクトルが自然にQCDホライズン質量スケールで強いピークを持つPBH質量関数を生じることを示唆する。
• 結果から、QCD時代は相転移期における特異な熱力学的条件のため、PBH形成にとって特に有利な時期であると示唆される。