[論文レビュー] Primordial black holes from cusp collapse on cosmic strings

A. C. Jenkins, Mairi Sakellariadou|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 121被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、宇宙ひも上のくびれがホープ予想に従い、微細調整の必要のないより一般的なメカニズムによって原始ブラックホール（PBH）に必然的に崩壊すると提案している。このメカニズムにより得られるPBHは、非常に高いスピン（χ ≈ 2/3）、超相対論的加速を示し、宇宙ひもの「決定的証拠」としての特徴を持つ。PBH形成の予測頻度が著しく上昇し、Gμの制約も再評価される。

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) are of fundamental interest in cosmology and astrophysics, and have received much attention as a dark matter candidate and as a potential source of gravitational waves. One possible PBH formation mechanism is the gravitational collapse of cosmic strings. Thus far, the entirety of the literature on PBH production from cosmic strings has focused on the collapse of (quasi)circular cosmic string loops, which make up only a tiny fraction of the cosmic loop population. We demonstrate here a novel PBH formation mechanism: the collapse of a small segment of cosmic string in the neighbourhood of a cusp. Using the hoop conjecture, we show that collapse is inevitable whenever a cusp appears on a macroscopically-large loop, forming a PBH whose rest mass is smaller than the mass of the loop by a factor of the dimensionless string tension squared, $(Gμ)^2$. Since cusps are generic features of cosmic string loops, and do not rely on finely-tuned loop configurations like circular collapse, this implies that cosmic strings produce PBHs in far greater numbers than has previously been recognised. The resulting PBHs are highly spinning and boosted to ultrarelativistic velocities; they populate a unique region of the BH mass-spin parameter space, and are therefore a "smoking gun" observational signature of cosmic strings. We derive new constraints on $Gμ$ from the evaporation of cusp-collapse PBHs, and update existing constraints on $Gμ$ from gravitational-wave searches.

研究の動機と目的

• 微細調整の必要がある（準）円形ループに依存する従来のモデルの制限を克服し、宇宙ひもから原始ブラックホール（PBH）形成を一般化し、微細調整の必要のないメカニズムを同定すること。
• 宇宙ひもループに広く存在するくびれが、ホープ予想に従い必然的にPBH形成を引き起こすことを示し、予想されるPBHの生成量を著しく増加させること。
• くびれ崩壊PBHの物理的性質（質量、スピン、速度）を特徴づけ、重力波および宇宙マイクロ波背景放射の非一様性における観測的特徴を評価すること。
• PBHの蒸発と重力波背景（SGWB）信号を組み合わせ、新しい形成メカニズムを考慮したGμの既存制約を更新すること。

提案手法

• 宇宙ひもループにホープ予想を適用し、十分に高い速度と局所的コンパクト性を持つひもセグメントがブラックホールに崩壊する条件を導出する。
• 平坦時空における宇宙ひもループのナンブ＝ゴトウ方程式を用い、相対論的速度に達するくびれ近辺の力学的挙動をモデル化する。
• PBHの質量を M_PBH ≈ (Gμ)^2 × M_loop と推定し、これはループ質量よりも (Gμ)^2 の要因で小さくなることを示す。
• 捕獲されたひもセグメントの角運動量を計算し、PBHのスピンを決定する。その結果、スピンパラメータ χ = 2/3 が得られ、ループサイズや Gμ に依存しない。
• くびれ崩壊からの重力波放射を、切り捨て効果とリングダウンを含めてモデル化し、確率的重力波背景（SGWB）スペクトルを予測する。
• CMB非一様性によるPBH蒸発制約とLIGO/Virgo、PTAからのSGWB信号を組み合わせ、Gμの更新された制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 くびれが微細調整の必要のないループ形状に依存せず、ホープ予想に従い原始ブラックホールの形成を引き起こすか？
• RQ2 くびれ崩壊によって形成されるPBHの質量、スピン、速度分布は何か？他のメカニズムによるPBHとはどのように異なるか？
• RQ3 くびれ崩壊PBHを組み込むことで、CMBおよび重力波データからの宇宙ひも張力Gμの既存制約はどのように変化するか？
• RQ4 くびれ崩壊PBHからの期待される重力波シグナルは何か？標準的なくびれ波形とはどのように異なるか？
• RQ5 くびれ崩壊PBHが有する特異なスピンおよび運動的性質は、宇宙ひもの「決定的証拠」としての観測的特徴を果たせるか？

主な発見

• 宇宙ひもループ上のくびれは、ホープ予想に従い、必然的に原始ブラックホールを形成する。これにより、PBH形成はループ進化の一般的特徴となり、希少な出来事ではなくなる。
• 得られるPBHの質量は親ループに対して (Gμ)^2 の要因で小さくなり、静止質量は M_PBH ≈ (Gμ)^2 × M_loop と与えられる。
• すべてのくびれ崩壊PBHは非常に高いスピンを示し、次元なしスピンパラメータ χ = 2/3 に達し、極限Kerrブラックホールに近い。
• PBHは超相対論的加速を示し、光速に近い速度で移動する。これは他のPBH集団とは明確に区別される。
• くびれ崩壊からの重力波シグナルは、切り捨てられ、変更され、標準的なくびれ波形と比較して低周波数SGWB振幅が1/4に減少する。
• PBH蒸発とSGWB信号を組み合わせたGμの更新制約は、特定の周波数帯で最大1桁の緩和が見られるが、LISAやLIGOのモデル3に該当する小さなGμ値については依然として厳密な制約が残る。