[論文レビュー] Primordial Black Holes from Non-Equilibrium Second Order Phase Transition

S. G. Rubin, Maxim Khlopov+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2000

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 46

ひとこと要約

本論文は、初期宇宙における非平衡的2次相転移の過程で生成される大規模で閉じたドメイン壁の重力的崩壊によって、巨大な原始ブラックホール（PBHs）が形成され得ると提案する。このメカニズムは、有効質量ゼロのスカラー場におけるインフレーションに起因する揺らぎに依存し、高いエネルギー密度を持つ準安定な真空領域を生成する。こうした壁が崩壊する際、質量が約10^36 gに達するPBHが形成可能であり、銀河中心の超大質量ブラックホールの種の形成に寄与する道筋を提供する。

ABSTRACT

The collapse of sufficiently large closed domain wall produced during second order phase transition in the vacuum state of a scalar field can lead to the formation of black hole. The origin of domain walls with appropriate size and energy density could be a result of evolution of an effectively massless scalar field at the inflational epoch. We demonstrate that in this case the situation is valued when there are compact domains of less favorable vacuum surrounded by a sea of another vacuum. Each domain has a surface composed of vacuum wall that stores a significant amount of energy, and can collapse into the black hole. This offers the way of massive primordial black holes formation in the early Universe.

研究の動機と目的

• 標準的な密度揺らぎモデルを超えた、巨大な原始ブラックホール（PBH）形成の新しいメカニズムを検討すること。
• 2次相転移中の非平衡的状態が、大規模で安定なドメイン壁を形成できるかを調査すること。
• こうしたドメイン壁が十分に質量が大きくかつ高密度であれば、表面張力によって崩壊し、PBHを形成できるかを示すこと。
• 得られるPBH質量スペクトルを評価し、核合成および宇宙マイクロ波背景放射の不均一性制約といった宇宙論的制約と整合しているかを検証すること。

提案手法

• 縮退した真空状態を持つ擬似Nambu-Goldstone（PNG）ポテンシャルを用いて相転移をモデル化し、ドメイン壁の形成を可能にする。
• インフレーション期のde Sitter揺らぎを用いて、有効的に平坦なスカラー場方向における非平衡的ダイナミクスを導入し、相関長を再定義する。
• 相転移後の閉じたドメイン壁の進化をシミュレートし、表面張力に起因する収縮と重力的崩壊に注目する。
• 壁のエネルギー密度がその重力半径内に集中していることから、PBH形成の条件を定義する。
• 壁の張力や真空エネルギー密度といったパラメータの異なる組み合わせについて、PBH質量スペクトルを数値的に評価する。
• 非平衡的核合成（例：³He, ⁷Li）およびCMB不均一性の観測制約を適用し、妥当なパラメータ空間を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期における非平衡的スカラー場ダイナミクスが、PBHの形成に寄与する大規模で安定なドメイン壁を生成できるか？
• RQ2 こうしたドメイン壁が、スカラー波としてエネルギーを放出するのではなく、ブラックホールに崩壊するためにはどのような条件が必要か？
• RQ3 崩壊するドメイン壁から形成されるPBHの質量スペクトルはどのようなものか？また、スカラー場ポテンシャルのパラメータにどのように依存するか？
• RQ4 予測されるPBH集団は、初期核合成およびCMB不均一性からの宇宙論的制約と整合的か？
• RQ5 このメカニズムは、銀河中心における超大質量ブラックホールの種の起源を説明できるか？

主な発見

• インフレーション期の非平衡的ダイナミクスにより、高エネルギー密度を持つ大規模で準安定なドメイン壁が生成され、重力的崩壊によってPBHが形成可能である。
• モデルは、最大で~10^36 g（log₁₀(M/M☉) ≈ 36.4）のPBH質量を予測し、熱的相転移による通常のPBH質量を大幅に上回る。
• Λ = 1 GeVスケールおよびθₙₘₐₓ = 0.8の場合、約10^17.4個のPBHが質量~10^28.3 gで生成され、質量が高くなるに従い数が減少する。
• PBH質量スペクトルはエントロピー生成の制限および非平衡的核合成からの制約を満たしており、α₃He < 10⁻¹⁵Ωb(MPBH/1g.)k⁻¹およびαLi < 10⁻¹⁹Ωb(MPBH/1g.)⁵/⁴k⁻¹である。
• このモデルは、銀河中心における超大質量ブラックホールの種を形成するための妥当なメカニズムを提供する。特に階層的クラスタリングを通じて。
• 強い散乱がない場合、整合性のある場の振動が等曲率摂動を引き起こす可能性があるが、CMB不均一性観測による制約により、モデルパラメータは制限される。