[論文レビュー] Primordial black holes as dark matter: cusp-to-core transition in low-mass dwarf galaxies

Pierre Boldrini, Yohei Miki+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、質量が25–100 M$_{\odot}$の原始ブラックホール（PBHs）が、動的摩擦を通じて低質量矮星銀河におけるくびれからコアへの遷移を引き起こせることを示している。この遷移には、銀河のダークマターの少なくとも1%がPBHsに占められている必要がある。遷移の期間は、PBHの質量、割合、初期密度プロファイルに応じて1–8ギガ年間である。これは、矮星銀河におけるコア-くびれ問題を解消するための妥当なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

We use a high performance fully GPU $N$-body code with adaptive time steps to show that dark matter candidates in the form of primordial black holes can induce a cusp-to-core transition in low-mass dwarf galaxies via dynamical friction by dark matter particles at 1 M$_{\odot}$ mass resolution acting on primordial black holes in the mass range 25 - 100 M$_{\odot}.$ This mechanism requires a lower limit on the primordial black hole mass fraction of 1$\%$ of the total dwarf galaxy dark matter content. The transition time-scale is between 1 and 8 Gyr and depends on the mass, the mass fraction and the scale radius of the initial density profile of the primordial black hole distribution.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBHs）が低質量矮星銀河におけるくびれ-コア問題を解消できるかどうかを調査すること。
• PBHsが矮星銀河の中心密度プロファイルをどのように変化させるかの動的メカニズムを特定すること。
• 顕著なくびれからコアへの遷移を引き起こすために必要な最小PBH質量分率を特定すること。
• PBHの質量、質量分率、初期プロファイルに応じた、くびれからコアへの遷移の時間スケールを定量化すること。

提案手法

• 適応的時間ステップを備えた高性能で完全にGPUアクセラレートされたN体コードを用いて銀河の進化をシミュレートした。
• ダークマターを、通常の衝突しない粒子と25–100 M$_{\odot}$のPBHsの混合物としてモデル化した。
• PBHsが背景のダークマター粒子からの動的摩擦の影響を受ける中で、中心密度プロファイルの進化を追跡した。
• パラメータ空間を探索するために、異なるPBH質量分率とスケール半径を用いた初期条件を設定した。
• 時間経過に伴う中心密度勾配の変化を分析することで、くびれからコアへの遷移の時間スケールを測定した。
• 個々のPBHの力学を正確に解像できるよう、質量分解能を1 M$_{\odot}$に保った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 25から100 M$_{\odot}$の原始ブラックホールは、低質量矮星銀河においてくびれからコアへの遷移を引き起こせるか？
• RQ2 このような遷移を駆動するために必要な最小PBH質量分率は何か？
• RQ3 くびれからコアへの遷移の時間スケールは、PBHの質量、質量分率、初期密度プロファイルにどのように依存するか？
• RQ4 背景のダークマター粒子からの動的摩擦が、中心構造をどのように形成するか？
• RQ5 遷移の時間スケールは、低質量矮星銀河の観測年齢と整合的か？

主な発見

• 25–100 M$_{\odot}$のPBHsは、動的摩擦を通じて低質量矮星銀河におけるくびれからコアへの遷移を引き起こせる。
• 顕著なくびれからコアへの遷移を駆動するには、合計ダークマターの少なくとも1%がPBHsに占められている必要がある。
• 遷移の時間スケールは、PBHの質量、質量分率、初期スケール半径に応じて1〜80億年間の範囲で変動する。
• このメカニズムは、PBHsが十分に大きくかつ多数存在して周囲のダークマター粒子に強い重力的抵抗を及ぼせる場合にのみ有効である。
• シミュレーションの過程で、中心密度プロファイルは、急勾配のくびれ（cusp）から、なだらかな勾配のコア（core）へと変化した。
• 結果から、追加の物理法則を必要とせず、PBHsが長年のくびれ-コア問題を解消できる可能性が示唆される。