[論文レビュー] Stochastic induced gravitational waves and lowest mass limit of primordial black holes with the effects of reheating

Nilanjandev Bhaumik, Rajeev Kumar Jain|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、偶数次多項式ポテンシャルを有する単一スカラーインフレーションモデルにおける初期ブラックホール（PBH）が生成する確率的重力波（GW）背景を調査し、スカラー曲率摂動から生じる二次的GWが、将来的な宇宙望遠鏡（LISAやDECIGOなど）で検出可能であることを示している。本研究ではモデルに依存しないPBHの下限質量を確立し、非即時再熱がGWスペクトルを高周波数にシフトさせることを示しており、現在までに蒸発した軽量PBHですら、Advanced LIGOで検出可能なGW信号を生成することが示された。

ABSTRACT

Recently, we have studied the abundance of primordial black holes (PBH) produced in a single field inflationary model with a polynomial potential containing even powers up to the sextic order which allows the existence of an inflection point in the inflaton potential. We found that such a scenario can produce PBHs in a wide range of masses with a nearly monochromatic mass fraction which can account for the total dark matter of the universe in the asteroid mass window. In this paper, we study the stochastic background of gravitational waves (GW) which is inevitably generated in this scenario due to the second order effects caused by large primordial scalar curvature perturbations at the PBHs scales. We find that the resulting secondary background of GWs could be potentially detected by the future space based GWs observatories such as LISA, TAIJI, DECIGO or BBO. Using a model independent approach, we also obtain a lower limit on the PBHs mass by only assuming an instantaneous and a smooth transition from the ultra slow roll to the slow roll phase. Further, we investigate the effects of reheating on the secondary GWs spectrum and find that an epoch of a non-instantaneous reheating can cause a shift in the GWs spectrum to larger frequencies. Interestingly, in this scenario, we also notice that very light PBHs which may completely evaporate by today and would not contribute to the dark matter at all, will still generate a stochastic background of secondary GWs that may be detected by a future design of the ground based Advanced LIGO detector.

研究の動機と目的

• 偶数次多項式ポテンシャルを有する単一スカラーインフレーションモデルにおける初期ブラックホール（PBH）が生成する確率的重力波背景を調査すること。
• PBH生成スケールにおける大きな初期スカラー曲率摂動から生じる二次的重力波の検出可能性を特定すること。
• 超遅いロールから遅いロールへのインフレーション遷移のダイナミクスのみを用いて、モデルに依存しないPBHの下限質量を導出すること。
• 非即時再熱が重力波スペクトルに与える影響、特に周波数シフトの影響を分析すること。

提案手法

• PBH生成を可能にする屈曲点を有する六次までの偶数次項を含むインフレートンポテンシャルをモデル化することで、広範な質量範囲のPBH生成を可能にする。
• PBH生成スケールにおける大きな初期スカラー曲率摂動が生成する二次的重力波背景を計算する。
• 超遅いロールから遅いロールへの遷移のダイナミクスのみを用いて、モデルに依存しないPBHの下限質量を導出するアプローチを適用する。
• 非即時再熱効果をGWスペクトルに組み込み、エネルギー密度の変化が改変されることによる周波数シフトを示す。
• 得られたGWパワースペクトルを、将来的な観測機器（LISA、TAIJI、DECIGO、BBO、Advanced LIGO）の感度曲線と比較する。
• 現在までに完全に蒸発しているPBHからのGW信号が、地上型検出器の感度に照らして検出可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期ブラックホールからの二次的確率的重力波背景は、将来的な宇宙望遠鏡（LISA や DECIGO など）で検出可能か？
• RQ2 超遅いロールから遅いロールへのインフレーション遷移のダイナミクスのみを用いて、初期ブラックホールの最小質量を制限できるか？
• RQ3 非即時再熱は、二次的重力波スペクトルの周波数分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現在までに完全に蒸発しているPBHからの重力波は、現在または近い将来の地上型検出器で検出可能か？
• RQ5 大きな初期スカラー曲率摂動は、このインフレーション状況において確率的GW背景を生成する役割を果たすか？

主な発見

• 初期ブラックホールからの二次的確率的重力波背景は、将来的な宇宙望遠鏡（LISA、TAIJI、DECIGO、BBO）で検出可能である可能性がある。
• 超遅いロールから遅いロールへの遷移のダイナミクスのみを用いて、モデルに依存しないPBHの下限質量が導出された。
• 非即時再熱により、重力波スペクトルが高周波数側へ顕著にシフトすることが示された。
• 現在までに完全に蒸発している初期ブラックホールですら、将来のAdvanced LIGO検出器設計において検出可能な確率的重力波背景を生成することが示された。
• このシナリオでは、小惑星質量窓にわたり、ほぼ単色の質量関数が実現可能であり、全ダークマター密度と整合的である。