[論文レビュー] Primordial black holes from collapsing antimatter

Gábor Etesi|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 57被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙における反物質系の重力的収縮によって、反物質の熱力学的性質が逆転することで駆動される、原始的ブラックホール（PBH）形成の新規メカニズムを提案する。このモデルは、観測値に近い5.12×10⁻¹⁰のバリオン-光子比を予測し、10⁵–10⁶ M⊙を超えるPBH質量を想定し、これらPBHがダークマターの少なくとも20％を占める。これは、微調整を必要とせず、物質-反物質非対称性を自然に説明するものである。

ABSTRACT

In this paper a simple (i.e. free of fine-tuning, etc.) new mechanism for primordial black hole formation based on the collapse of large antimatter systems in the early Universe is introduced. A peculiarity of this process is that, compared to their material counterparts, the collapse of large antimatter systems takes much less time due to the reversed thermodynamics of antimatter, an idea which has been proposed in our earlier paper. This model has several testable predictions. The first is that the photon-baryon ratio is roughly computable and is equal to $1.95 imes 10^9$ which is quite close to its experimentally confirmed value. The second is that the mass of black holes arising from this mechanism is at least $10^5$-$10^6M_\odot$ hence they contribute to the super- or hypermassive end of the primordial black hole mass spectrum. The third prediction is that these sort of primordial black holes constitute at least $20\%$ of dark matter. Last but not least the observed current asymmetry of matter and antimatter, even if their presence in the Universe was symmetric in the beginning, acquires a natural explanation, too.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における物質-反物質非対称性の未解決問題に取り組む。
• 原始的ブラックホール（PBH）形成のための、微調整を必要としない新しいメカニズムを提案する。
• PBH形成を、具体的にはビッグバン後約380,000年における光子再結合という、遅延時の相転移と結びつける。
• 単一の物理的メカニズムによって、観測されたバリオン-光子比とダークマターの組成を説明する。
• PBH質量、存在割合、宇宙論的影響に関する検証可能な予測を提供する。

提案手法

• 反物質に逆転した熱力学的性質を導入し、物質よりも速やかに重力的収縮が進行すると仮定する。
• ジェイムズ質量解析を用いて、収縮する反物質系の最小質量を推定し、mJ ~ 10⁵–10⁶ M⊙ を得る。
• 初期に物質-反物質が対称的に生成され、反物質が逆転した熱力学的性質により速やかに収縮すると仮定する。
• 収縮ダイナミクスからバリオン-光子比を導出し、η ≈ 5.12×10⁻¹⁰ を予測する。
• 初期に物質と反物質が等量であると仮定し、観測されたダークマター対バリオン物質比（約5:1）に基づき、これらのPBHがダークマターに寄与する割合を少なくとも20％と推定する。
• 一般相対性理論とブラックホール力学に依拠し、電荷共役対称性がブラックホール形成において物質と反物質に差がないことを指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微調整を必要とせず、反物質の収縮によって観測されたバリオン-光子比を自然に再現できるか？
• RQ2 反物質系の収縮から形成される原始的ブラックホールの予想される質量範囲は何か？
• RQ3 このような巨大な原始的ブラックホールが、ダークマターの何パーセントを占める可能性があるか？
• RQ4 反物質の熱力学的性質における根本的な違いが、現在の宇宙における物質-反物質非対称性を説明できるか？
• RQ5 反物質の収縮による超大質量原始的ブラックホールの遅延形成は、現在の観測的制約と整合するか？

主な発見

• モデルはバリオン-光子比が5.12×10⁻¹⁰であると予測し、観測値5.99×10⁻¹⁰とよく一致する。
• 反物質収縮による原始的ブラックホールの最小質量は10⁵–10⁶ M⊙と推定され、PBH質量スペクトルの超大質量またはハイパーマスティブの領域に位置する。
• これらのPBHは、宇宙全体のダークマター総量の少なくとも20％を占めると予測される。
• このメカニズムは、初期のCP対称性の破れや微調整を必要とせず、観測された物質-反物質非対称性を自然に説明する。
• 蒸発時間スケールが非常に長く（10⁸²–10⁸⁵年）、宇宙論的スケールで安定であるため、現在の観測と矛盾しない。
• ブラックホール力学とノーヘア定理と整合しており、降下する物質が物質か反物質かにかかわらず、最終的な結果は同一である。