[論文レビュー] Stochastic gravitational-wave background from primordial black hole scenario after GW150914 and GW151226

Sai Wang, Yifan Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、アドバンスト・リゴが測定したステーシティック重力波背景の上限を用いて、1–100 M⊙ の質量範囲における原始ブラックホール（PBH）の存在割合を制約し、重力レンズ効果による微小質量レンズと矮星銀河の運動からの既存の制約を1桁改善した。さらに、今後のリゴ観測で、太陽質量未満のPBHが検出可能であると予測している。

ABSTRACT

Advanced LIGO's discovery of gravitational-wave events is stimulating extensive studies on the origin of binary black holes. Assuming that the gravitational-wave events can be explained by binary primordial black hole mergers, we utilize the upper limits on the stochastic gravitational-wave background given by Advanced LIGO as a new observational window to independently constrain the abundance of primordial black holes in dark matter. We show that Advanced LIGO's first observation run gives the best constraint on the primordial black hole abundance in the mass range $1 M_\odot \lesssim M_ ext{PBH}\lesssim 100 M_\odot$, pushing the previous microlensing and dwarf galaxy dynamics constraints tighter by 1 order of magnitude. Moreover, we discuss the possibility to detect the stochastic gravitational-wave background from primordial black holes, in particular from subsolar mass primordial black holes, by Advanced LIGO in the near future.

研究の動機と目的

• アドバンスト・リゴの重力波背景データを用いて、1–100 M⊙ の範囲における原始ブラックホール（PBH）の存在割合を制約すること。
• GW150914およびGW151226からの新しい観測データを活用することで、既存の重力レンズ効果および矮星銀河の運動からのPBH制約を改善すること。
• 特に太陽質量未満のPBHからのステーシティック重力波背景の検出可能性を、近い将来のリゴ観測において評価すること。

提案手法

• アドバンスト・リゴの初回観測期間中に測定されたステーシティック重力波背景の上限を、PBH合体率の制約として用いる。
• 1–100 M⊙ の質量範囲にわたる二重PBH合体によって生成されるステーシティック背景のパワースペクトルをモデル化する。
• PBHが生成する予想される重力波背景の振幅を、リゴの観測上限と比較することで、PBH存在割合の除外限界を導出する。
• 同じフレームワークを太陽質量未満のPBHに適用し、今後のリゴ観測における検出可能性を評価する。
• 背景モデルの物理的整合性を保つために、PBH形成および進化に関する天体物理学的・宇宙論的制約を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リゴのステーシティック背景データを用いて、1–100 M⊙ の質量範囲における原始ブラックホール存在割合の最も厳しい制約は何か？
• RQ2 リゴの初回観測結果は、重力レンズ効果および矮星銀河の運動からの既存の制約をどの程度改善しているか？
• RQ3 太陽質量未満の原始ブラックホールからのステーシティック重力波背景は、近い将来のアドバンスト・リゴ観測で検出可能か？

主な発見

• アドバンスト・リゴの初回観測期間は、1–100 M⊙ の範囲における原始ブラックホール存在割合について、これまでで最も厳しい制約を提供し、既存の限界を1桁改善した。
• ステーシティック背景からの制約は、同じ質量範囲において重力レンズ効果および矮星銀河の運動からの制約よりもきびしい。
• 太陽質量未満の原始ブラックホールからのステーシティック重力波背景は、近い将来のリゴ観測で検出可能である可能性がある。
• 本分析は、重力波背景測定が原始ブラックホールダークマターのシナリオを検証する新しい強力な独立的プローブであることを示している。