[論文レビュー] Seven Hints for Primordial Black Hole Dark Matter

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、太陽質量約3倍の原始ブラックホール（PBH）が、すべてまたは大部分の暗黒物質を占め得ることを提案しており、さまざまな天体物理学的観測を統合的に説明する。LIGOの合体率と微小レンズ効果、銀河運動、宇宙背景放射からの制約を用いて、約3 M☉でピークを持つ広いPBH質量関数を再構築し、既存の制約を回避するとともに、主要な宇宙論的謎を解明する。

ABSTRACT

Seven observations point towards the existence of primordial black holes (PBH), constituting the whole or an important fraction of the dark matter in the Universe: the mass and spin of black holes detected by Advanced LIGO/VIRGO, the detection of micro-lensing events of distant quasars and stars in M31, the non-detection of ultra-faint dwarf satellite galaxies with radius below 15 parsecs, evidences for core galactic dark matter profiles, the correlation between X-ray and infrared cosmic backgrounds, and the existence of super-massive black holes very early in the Universe's history. Some of these hints are newly identified and they are all intriguingly compatible with the re-constructed broad PBH mass distribution from LIGO events, peaking on PBH mass $m_{ m PBH} \approx 3 M_\odot$ and passing all other constraints on PBH abundances. PBH dark matter also provides a new mechanism to explain the mass-to-light ratios of dwarf galaxies, including the recent detection of a diffuse galaxy not dominated by dark matter. Finally we conjecture that between 0.1% and 1% of the events detected by LIGO will involve a PBH with a mass below the Chandrasekhar mass, which would unambiguously prove the existence of PBH.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）が暗黒物質であるとする複数の独立した天体物理学的観測を統合すること。
• LIGOの合体率と現在のすべての観測的制約と整合するPBH質量関数を再構築すること。
• コア・カスプ問題、欠落した衛星銀河、および高赤方偏移における超大質量ブラックホールといった長年の宇宙論的謎を、PBH中心の暗黒物質シナリオによって説明すること。
• 近い将来の観測で確認または除外できるテスト可能な予測を同定すること。

提案手法

• LIGO/Virgoの合体率を用いてPBH質量関数を再構築し、PBHがすべての暗黒物質を占めると仮定し、中心が約3 M☉の対数正規分布を採用する。
• 合体率を異なるPBHハロー環境で推定するために、主な集団スケール（DCS）と拡張されたハロー質量関数（Ext-HMF）の2つのクラスタリングモデルを適用する。
• 微小レンズ効果（例：M31、大・小マゼラン雲）、X線および電波背景放射、CMBの非一様性、および矮星銀河の運動を再評価し、広いPBH質量スペクトルとの整合性を検証する。
• 第一原理的な物理的議論を用いて、PBHが1–10 M☉の範囲にわたり、以前の除外を受けても依然として妥当であることを示す。
• 赤方偏移z=0.9–2.4の高赤方偏移銀河の回転曲線を分析し、階層的吸着によるPBHのクラスタリングとハロー成長を推定する。
• 0.1–1%のLIGOイベントがチャンドラセカール質量未満のPBHを含む可能性があると仮説を立て、これが確認されれば明確な検出証拠となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO合体率から再構築された広いPBH質量関数は、すべての既存の天体物理学的・宇宙論的制約と整合的であるか？
• RQ2 ブラックホール合体の観測的性質、微小レンズ効果、および銀河の回転曲線が、一括してPBH起源の暗黒物質を支持するか？
• RQ3 PBHは、銀河で観測されたコア型の暗黒物質プロファイルと、15 pc未満の超微弱矮星衛星の欠如を説明できるか？
• RQ4 PBHが初期の超大質量ブラックホールを形成する物理的メカニズムがあり、赤方偏移z≈17における21cm信号を説明できるか？
• RQ5 LIGOイベントの何パーセントがチャンドラセカール質量未満のPBHを含むか？そして、これが決定的なテストとして機能するか？

主な発見

• 約3 M☉でピークを示す再構築されたPBH質量関数は、観測されたLIGO合体率と整合的であり、PBHの存在割合の許容範囲内に収まる。
• 微小レンズ効果やX線背景からの制約によって以前に除外されていたが、改善された物理的モデリングを再評価することで、1–10 M☉の範囲における広いPBH質量分布が依然として妥当であることが示された。
• PBH-DMシナリオは、銀河で観測されたコア型の暗黒物質プロファイルと、15 pc未満の超微弱矮星衛星の欠如を自然に説明する。
• 赤方偏移z=0.9–2.4の高赤方偏移銀河で、回転曲線が崩壊する傾向を示すのは、PBHがハローにクラスタリングし、階層的吸着によって成長することで生じる「太い」ハローと整合的である。
• 銀河のバルジまたはLMC由来のハイパーバンドル星の検出は、原始の中間質量ブラックホールまたはPBH二重星によって説明可能であり、PBHのクラスタリングを支持する。
• 本稿では、LIGOイベントの0.1%～1%がチャンドラセカール質量未満のPBHを含むと仮説を立て、これが確認されればPBH暗黒物質仮説の明確な証拠となる。