[論文レビュー] Revisiting Primordial Black Holes Constraints from Ionization History

Benjamin Horowitz|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、宇宙背景放射（CMB）データを用いて、降着による電離歴史の効果に注目し、初期ブラックホール（PBH）がダークマター候補としての制約を再検討する。超音速ストリーミングが降着効率を低下させ、従来の制約を弱めるが、それでも30 M☉のPBHはダークマターの10％を超えることはできないと判明した。

ABSTRACT

Much attention has been drawn to the recent discoveries by the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) of merging intermediate mass black holes. Of particular interest is the possibility that the merger events detected could be evidence of dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). It has been argued that the presence of many black holes would effect the thermal and ionization history of the universe via their accretion of matter which would have strong signatures in the Cosmic Microwave Background's (CMB) power spectra evident in the damping of anisotropies and change in low-$l$ polarization power. In general the accretion is quite sensitive to the specific physics involved and the conditions of the early universe. In this work, we take a minimal approach and find constraints on PBHs not including the model dependent effects of nonlinear structure of formation or transition between different accretion models which would work to increase the effect. In addition, we include the relative velocity between dark matter and baryonic matter including the effects of supersonic streaming at high redshift which work to significantly reduce the constraining power. We also examine the constraints on more astrophysically-motivated extended black hole mass functions and discuss how mergers might effect this distribution. We find constraints on PBHs in the range $ \approx 30 M_\odot$, finding that they could not compose more than $10\%$ of the total dark matter content.

研究の動機と目的

• 降着物理学に依存するモデルを避けて、CMBにおける電離歴史の効果に着目し、PBHがダークマターとしての制約を再評価すること。
• 高赤方偏移においてダークマターとバリオンの相対速度が降着を抑制する超音速ストリーミングの影響を評価し、PBHに関するCMB制約を弱める要因を明らかにすること。
• 単一質量関数ではなく、天体物理学的形成メカニズムに裏付けられたより現実的な広がりを持つPBH質量関数を用いた制約の検討。
• 初期のPBH集団が合体によってLIGO質量範囲に至る過程における役割の評価。
• 非線形構造形成や複雑なフィードバックモデルに関する仮定を避けて、現在のCMBデータに基づく保守的・最小限のモデルによるPBH制約の提示。

提案手法

• 非効率的なエネルギー放出を仮定した最小限の降着モデル（ボンディ降着に基づく）を用い、非線形構造形成の効果を避ける。
• 高赤方偏移におけるダークマターとバリオンの相対速度をモデル化し、超音速ストリーミングによる降着効率の低下を組み込む。
• ダークマターの消失・崩壊研究の最新の取り扱いを反映した修正されたエネルギー放出モデルを用い、IGM内での電離度変化を計算。
• CMBパワースペクトルの変化、特に非等方性の減衰および低ℓ偏光の変化を計算し、制約を導出。
• Planck CMBデータを用いたフィッシャー行列解析により、PBH豊度の95％信頼区間（95% CL）の上限を導出。
• 単一質量関数と広がりを持つ質量関数の両方を検討し、後者は天体物理学的形成メカニズムに裏付けられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMB制約は、30 M☉のPBHが主要なダークマター成分であることをどの程度排除するか？
• RQ2 高赤方偏移におけるダークマターとバリオンの超音速ストリーミングは、降着効率およびCMBに基づくPBH制約にどのように影響するか？
• RQ3 単一質量分布ではなく、広がりを持つ質量関数を用いた場合のPBH制約はどのようなものか？
• RQ4 PBHが降着や合併によって初期の二重PBH系がLIGO質量範囲に至る可能性はあるか？
• RQ5 現在のCMB測定は、微小レンズ効果や矮星系加熱といった他のプローブと比較して、PBHをどの程度厳しく制約するか？

主な発見

• CMBの電離歴史に基づく制約から、30 M☉のPBHは全ダークマターの10％を超えることはできない。
• 超音速ストリーミングは降着効率を顕著に低下させ、従来の研究がこの効果を無視していたのに対し、制約を弱める要因となる。
• 30 M☉のPBHに対してCMB制約は f_pbh ≤ 0.09 であるが、これは微小レンズ効果（f_pbh ≈ 0.5）および矮星系加熱（f_pbh ≈ 0.2）の制約と整合的であり、むしろそれらよりも厳しい。
• 非線形構造形成や強いフィードバックを組み込むと制約はさらに厳しくなるが、現在の保守的モデルですでに主要なPBH集団は排除されている。
• 宇宙時間にわたる降着は無視できるほど小さい——再結合以降の現在までにPBHは約10⁻⁸ M☉しか増加していない——したがって、顕著な成長はありえない。
• PBHの合併レートは極めて低い（<1000 Gpc⁻³ yr⁻¹）ため、初期の二重PBH系が合併のみでLIGO質量範囲に至ることは現実的ではない。