[論文レビュー] Primordial Black Holes as Seeds for Cosmic Structures

B. J. Carr, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、100 M☉未満の原始ブラックホール（PBHs）が、宇宙構造の種として機能しうることを提案している。これは『種』効果（銀河や超大質量ブラックホールの形成）または『ポアソン』効果（初期構造形成の加速）によって実現される。PBHが広い質量関数を持つ場合、暗黒物質を供給すると同時に最初の雲を束縛し、観測された銀河質量関数を自然に再現可能であり、LIGOからLISA帯にかけての連続的な重力波背景が検出可能となる。

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) could provide the dark matter in various mass windows below $10^2 M_{\odot}$ and those of $30 M_{\odot}$ might explain the LIGO events. PBHs much larger than this might have important consequences even if they provide only a small fraction of the dark matter. In particular, they could generate cosmological structure through either the `seed' effect or the `Poisson' effect, thereby alleviating some problems associated with the standard CDM scenario. If the PBHs all have a similar mass and make a small contribution to the dark matter, then the seed effect dominates on small scales, in which case PBHs could seed the supermassive black holes in galactic nuclei or even galaxies themselves. If they have a similar mass and provide the dark matter, the Poisson effect dominates on all scales and the first bound clouds would form earlier than in the usual scenario, with interesting observational consequences. If the PBHs have an extended mass spectrum, which is more likely, they could fulfill all three roles - providing the dark matter, binding the first bound clouds and generating galaxies. In this case, the galactic mass function naturally has the observed form, with the galaxy mass being simply related to the black hole mass. The stochastic gravitational wave background from the PBHs in this scenario would extend continuously from the LIGO frequency to the LISA frequency, offering a potential goal for future surveys.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBHs）が、暗黒物質候補としての役割を超えて、宇宙構造形成の有効な種として機能可能かどうかを検討すること。
• PBHの質量関数と存在割合に応じて、『種』効果と『ポアソン』効果が初期構造形成に与える相対的寄与を調査すること。
• 広いPBH質量関数が観測された銀河質量関数を自然に再現可能であり、暗黒物質と構造形成を統一的に説明できるかを特定すること。
• PBHが低周波帯および高周波帯における確率的重力波背景に与える影響を検討すること。

提案手法

• 初期宇宙における点状の密度異常としてPBHをモデル化し、その重力的ポテンシャルによって重力収縮を引き起こす仕組みを検討する。
• 『種』効果の形式的枠組みを用いて、PBHが暗黒物質のわずかな寄与である場合に、小スケールで束縛構造や超大質量ブラックホールの形成を引き起こせることを示す。
• PBHが暗黒物質を支配する場合に、密度揺らぎの増幅により最初の束縛雲が早期に崩壊するという『ポアソン』効果を記述する。
• 広いPBH質量関数がもたらす銀河質量関数への影響を分析する。この際、PBHと宿主銀河の質量間に直接的な比例関係を仮定する。
• LIGOとLISA周波数帯におけるPBH二重星の合体から生じる確率的重力波背景を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 M☉未満のPBHは、超大質量ブラックホールや全銀河の種として機能可能か？
• RQ2 PBHの存在割合と質量分布に応じて、『種』効果と『ポアソン』効果が初期構造形成に与える影響はどのように異なるか？
• RQ3 広いPBH質量関数が観測された銀河質量関数を自然に再現可能か？
• RQ4 PBH集団から予想される確率的重力波背景の周波数スペクトルはどのようなものか？
• RQ5 PBHは初期宇宙における最初の束縛構造の形成時期と性質にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 質量関数が狭く、暗黒物質に占める寄与が部分的であるPBHは、小スケールで『種』効果により超大質量ブラックホールや銀河の形成を引き起こす。
• PBHが質量関数が狭く、暗黒物質を完全に占める場合、『ポアソン』効果により標準的なCDMシナリオよりも早期に最初の束縛雲が形成される。
• 広いPBH質量関数を持つ場合、PBHは三つの役割を同時に果たすことができる：暗黒物質の供給、最初の雲の束縛、観測された銀河質量関数の自然な再現。
• このシナリオでは、銀河質量関数がPBH質量関数の直接的結果として現れ、銀河質量とブラックホール質量の間に線形関係が成立する。
• PBHから生じる確率的重力波背景は、LIGO周波数帯からLISA周波数帯にわたり連続的に広がり、複数の観測機器で検出可能なシグネチャを提供する。