[論文レビュー] Primordial black holes and their gravitational-wave signatures

E. Bagui, Sébastien Clesse+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 31

ひとこと要約

本論文は原始ブラックホール（PBHs）とそれらの重力波シグネチャをレビューし、形成・進化・合体率、およびLISAによる検出可能性を概説する。確率的背景と大規模構造とのクロス相関を含む。

ABSTRACT

In the recent years, primordial black holes (PBHs) have emerged as one of the most interesting and hotly debated topics in cosmology. Among other possibilities, PBHs could explain both some of the signals from binary black hole mergers observed in gravitational wave detectors and an important component of the dark matter in the Universe. Significant progress has been achieved both on the theory side and from the point of view of observations, including new models and more accurate calculations of PBH formation, evolution, clustering, merger rates, as well as new astrophysical and cosmological probes. In this work, we review, analyse and combine the latest developments in order to perform end-to-end calculations of the various gravitational wave signatures of PBHs. Different ways to distinguish PBHs from stellar black holes are emphasized. Finally, we discuss their detectability with LISA, the first planned gravitational-wave observatory in space.

研究の動機と目的

• インフレーション型および非インフレーション型モデル全体にわたり、PBHの形成と進化メカニズムを調査する。
• PBHからの端から端までの重力波シグネチャを算出し、合体と確率的背景を含む。
• LISAによるPBHのGW検出可能性を評価し、恒星起源ブラックホールとの識別特徴を探る。
• GWデータおよび他の探査手段を踏まえたPBH存在量に関する現在の観測的限界を論じる。

提案手法

• 単一場および多重場のインフレーションを含むPBH形成の最近の理論モデルと非インフレーション機構を総合する。
• PBH質量分布、クラスタリング、および合体率計算（早期および後期連星）における進歩を取り入れる。
• 個別の合体、超接近、二次曲率誘起背景を含むPBHシナリオからのGWシグネチャを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 主要なPBH形成チャネルは何で、それらは質量分布とスピン分布をどのように形作るのか。
• RQ2 PBHの合体率と重力波シグネチャは形成・クラスタリング・天体物理環境にどう依存するか。
• RQ3 どのGWシグネチャ（個別イベント、確率的背景）はPBHを恒星起源ブラックホールと唯一識別するか。
• RQ4 質量レンジと赤方偏移の異なる範囲でLISAを用いたPBH関連GW信号の検出可能性はどうか。
• RQ5 大規模構造との相関はPBHの存在量とシナリオをどのように制約するか。

主な発見

• PBHは合体、双曲線的遭遇、および二次曲率誘起背景を通じて多様なGWシグネチャを生み出すことができる。
• LISAの帯域幅（約ミリヘルツ）は、10^3–10^4太陽質量のPBH合体を高赤方偏移まで、そして可能なサブソラルチャネルを探ることを可能にする。
• 最近のモデル化の進展はPBH形成、クラスタリング、合体率を特定のGW観測可能量とその振幅に結びつける。
• GWデータと大規模構造との相関はPBH存在量を制約する道を提供する。
• PBH関連摂動からの確率的GW背景はPBH集団に依存するが、LISAの到達範囲内であり得る。
• 本レビューはPBHのGWシグネチャの急速な進展を追跡するため、半期ごとに更新を行う生きたフレームワークを提示する。