[論文レビュー] Scrutinizing the Primordial Black Holes Interpretation of PTA Gravitational Waves and JWST Early Galaxies

Yann Gouttenoire, Sokratis Trifinopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 18

ひとこと要約

本論文は超大質量の原始ブラックホール（PBH）がPTAの重力波背景とJWSTの早期大質量銀河を共同で説明しうるかを検討し、PBHベースの多くの説明がUV光度関数と大規模構造の制約と矛盾することを示した。極端な原始的非ガウス性の下でのみ、種子ベースのJWST適合領域が細く生き残る可能性がある。

ABSTRACT

Recent observations have granted to us two unique insights into the early universe: the presence of a low-frequency stochastic gravitational wave background detected by the NANOGrav and Pulsar Timing Array (PTA) experiments and the emergence of unusually massive galaxy candidates at high redshifts reported by the James Webb Space Telescope (JWST). In this letter, we consider the possibility that both observations have a common origin, namely primordial black holes (PBHs) in the mass range between $10^{6}~M_{\odot}$ and $10^{13}~M_{\odot}$. While superheavy PBHs act as seeds for accelerated galaxy formation capable of explaining the JWST extreme galaxies, they can also form binary mergers that source gravitational waves which can be potentially identified as the PTA signal. The analysis is performed taking into account the constraints on the relevant region of the PBH parameter space including the novel bound imposed by the Ultraviolet Luminosity Function of galaxies observed by the Hubble Space Telescope. We conclude that PTA's and JWST's interpretations in terms of PBH binary mergers and Poissonian gas of PBHs, respectively, are strongly excluded.

研究の動機と目的

• PBHが質量範囲10^6–10^13 太陽質量のPBHがPBH連星を介してPTA GW背景を説明できるか評価する。
• PBHは高赤方偏移でJWSTが検出した大質量銀河の急速な形成を種として促進できるか評価する。
• UV銀河光度関数（HST UV LF）、大規模構造、その他の制約を取り入れる。
• PBHベースの説明と環境要因・非ガウシ謙性の考慮を比較し、妥当なパラメータ空間を特定する。

提案手法

• PBH連星からのGWエネルギー密度を Omega_GW(h^2) に対するブロークン法則フィットと PBH連星の f_peak ~ 5000 M_sun/M_PBH のピークでモデル化する。
• PBH起因のisocurvature摂動をポアソン項 P_iso(k) と k_cut のカットオフを用いて計算し、Top-hat 窓を用いたSheth-Tormenでハロー質量函数を予測する。
• NANOGrav 12.5年データとIPTA DR2を用いたPTAデータのベイズ分析を実施し、PBH質量 M_PBH と豊富さ f_PBH の事後分布を導出する。
• JWST時代の銀河形成をPoisson効果と種効果を通じて取り入れ、PBHsが z~8 で観測された大質量銀河を生み出す可能性を評価する。
• HSTデータからのUV LF制約を課しPBH起因のisocurvature摂動を制限し、LSS/ダイナミカル摩擦制限と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^6–10^13 M_sun の超大質量PBHは二連星の合体を通じてNANOGrav/PTAの確率的GW背景を説明できるか？
• RQ2 PBHは早期銀河形成を効果的に種付け・促進してJWSTの高赤shiftの大質量銀河を説明できるか？
• RQ3 HST UV光度関数、大規模構造、μ歪み制約がPBHパラメータ空間（M_PBH, f_PBH）に課す制約は？
• RQ4 制約を満たしつつPTAとJWST観測の両方を同時に適合するPBHパラメータ空間の領域は存在するか、どの非ガウス性条件下で？

主な発見

• PBH二連星合体によるPTA解釈は、UV LF 制約によって強く排除され、大規模構造制限の対象となる。
• PBHポアソン揺らぎによるJWSTの初期銀河増強説も、UV LFと構造形成制約により除外。
• 10^8 ≤ M_PBH/M_sun ≤ 10^9 かつ f_PBH ~ 10^-2 の狭い領域は、90%信頼区間でPTAとJWSTの信号の両方を説明できるが、UV LFと環境的要因で厳しく制約される。
• この質量範囲のPBHに対するHSTデータから導出されたUV LF境界は、従来のLSS境界より厳しい。
• JWST様銀河のPBH種付けは、PBH豊富さが ≲ 10^-3 の場合に限り極端に大きな原始的非ガウス性を仮定すれば生存可能だが（p ≲ 0.5）、そうでなければ排除。
• クラスタリングシナリオは一部制約を回避する可能性があると述べられているが、より攻撃的な k_cut の選択では依然として困難。