[論文レビュー] Primordial black holes are again on the limelight

M. Roncadelli, A. Treves+1 more|ArXiv.org|Jan 8, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、はくちゅう銀河の星形成期におけるPBHの重力的捕獲とその後の降着をモデル化することで、質量 >10^15 g の原始ブラックホール（PBH）の現在の存在割合に対する強い上限を導出している。わずかでも捕獲されたPBHが存在する場合、星間磁気圏や白色矮星の崩壊が深刻に進行するため、PBHは極めてまれでなければならない。この結果、PBHの宇宙密度が制限され、低質量星間ブラックホール（M < 1 M☉）が白色矮星を飲み込むPBHの起源である可能性が示唆される。

ABSTRACT

We derive a strong upper bound on the amount of Primordial Black Holes (PBHs) that can still be present in the Universe. Gravitational capture of PBHs by the Milky Way stars during their formation and subsequent accretion would produce a dramatic depletion of disk stars and especially of white dwarfs, unless the average cosmic density and mass of PBHs are severely constrained. Our finding also helps to discriminate among the various production mechanisms of PBHs. Moreover, we show that a star becomes overluminous before its disappearance into a PBH for a time span independent of its mass, thereby providing a characteristic observational signature of the considered scenario. We stress that our result allows for the existence of stellar-mass black holes in a mass range that is forbidden by standard stellar evolution.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）がはくちゅう銀河の星形成期に星を捕獲するという天体物理学的影響を評価すること。
• 星間磁気圏と白色矮星の降着誘発的枯渇を分析することで、現在のPBHの宇宙密度を制約すること。
• 標準的星形成理論では予測されない低質量星間ブラックホール（M < 1 M☉）がPBHによって説明可能かどうかを評価すること。
• 星の質量に依存しない持続時間を持つ、崩壊前の過光度段階という特徴的な観測的シグナルを特定すること。
• 導出された密度制約を用いて、さまざまなPBH生成メカニズムを区別すること。

提案手法

• はくちゅう銀河のハロー内でPBHがコア付き球対称等温（CSI）分布に従うと仮定し、ダークマター密度プロファイルと速度分散に一致させる。
• ボンディ降着モデルを用いてPBHが星に降着するレートを計算し、PBH質量が約7.6×10^14 g/εを超えるとEddington制限降着に移行する。
• 星の光度が崩壊直前の段階で0.1 L*を超える条件を適用し、過光度段階の持続時間（t_lum）を推定する。
• Eddington制限降着を仮定して、PBH質量が星の質量に達するまでの時間（t_sw）を導出する。
• 星の捕獲率が非常に低いこと（つまり、星の枯渇が深刻に進行しないこと）を条件に、PBH密度パラメータ Ω_PBH < 10^{-8} の上限を導く。
• PBH質量閾値 ~7.6×10^14 g/ε を用いて、降着がボンディからEddington制限に移行するまでの時間（t_to）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成期にPBHが星を捕獲するという条件のもとで、質量 >10^15 g の原始ブラックホール（PBH）の最大許容宇宙密度は何か？
• RQ2 質量 >10^15 g のPBHは、星や白色矮星の観測的枯渇を引き起こさないまま、はくちゅう銀河のディスクに存続可能か？
• RQ3 崩壊前の過光度段階の期間は、初期星の質量に依存するか？
• RQ4 PBHが標準的星形成理論では予測されない低質量星間ブラックホール（M < 1 M☉）の起源を説明できるか？
• RQ5 これらの天体物理学的効果が、初期質量関数およびPBH生成メカニズムにどのような制約を課すか？

主な発見

• 星の枯渇が深刻に進行しないという条件に基づき、質量 >10^15 g のPBHの現在の宇宙密度パラメータは Ω_PBH < 10^{-8} に制限される。
• 星がPBHに飲み込まれる直前の過光度段階は、約8.3×10^4年間持続するが、これは星の質量に依存しない。
• Eddington制限降着を仮定した場合、PBH質量が7.6×10^19 gを超えると、星を飲み込むまでの時間は1.4×10^5年未満である。
• 降着がボンディからEddington制限に移行するPBH質量は約7.6×10^14 g/εであり、その転換時間 t_to は3.3×10^8年未満である。
• ダークマターに顕著な寄与を果たすには、PBH質量が10^25 gを超える必要があるため、ダークマター候補として顕著なのは最も質量の大きなPBHに限られる。
• 質量 M < 1 M☉ のブラックホールの観測的証拠は、それがPBH由来である可能性を強く示唆する。なぜなら、このような質量のブラックホールは標準的星形成理論では生成されないからである。