[論文レビュー] Supermassive primordial black holes in multiverse: for nano-Hertz gravitational wave and high-redshift JWST galaxies

H. X. Huang, Yong Cai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 34

ひとこと要約

論文は、スローリ-roll inflation の近傍真空近傍での超臨界泡がマルチピーク質量スペクトルを生み出すマルチバースPBH形成メカニズムを提案し、超大質量PBH（最大 ~10^11）を含み、ナノヘルツのGWの示唆と初期JWST銀河の説明に繋がる可能性を示唆します。

ABSTRACT

Recently, observational hints for supermassive black holes have been accumulating, which has inspired ones to wonder: Can primordial black holes (PBHs) be supermassive, in particular with the mass $M\gtrsim 10^{9}M_\odot$? A supercritical bubble (with an inflating baby universe inside it) that nucleated during inflation can develop into a PBH in our observable Universe. Here, we find that when the inflaton slowly passes by a neighboring vacuum, the nucleating rate of supercritical bubbles would inevitably attain a peak, so the mass distribution of multiverse PBHs, and the mass of peak can be up to $M\gtrsim 10^{11}M_\odot$. Thus our mechanism naturally provides a primordial origin of supermassive BHs.

研究の動機と目的

• 超大質量原始ブラックホール（PBHs）の存在と、それらがナノヘルツのGWと高 redshift JWST銀河とどのように関係するかの可能性を動機づける。
• neighboring vacua を持つスローリ-roll インフレーションモデルを導入し、超臨界泡の核生成率を高める。
• 得られる PBH 質量スペクトルが M ~ 10^11 M_sun までのピークを持つことを示し、観測的影響を論じる。

提案手法

• φ1 が V_inf に沿ってスローリ-roll し、 φ2, φ1 ≈ (φ2,F, φ1,*) の近接真空が存在する二場ポテンシャル V(phi1, phi2) を用いてインフレーターのダイナミクスをモデル化する。
• Hubble 時空体積あたりの泡核生成率を薄壁近似で推定し、λ ~ e^{-B}、B ~ 2π^2 σ / H_i^3、σ は最小のσ経路に沿った経路積分で近似する。
• 泡のサイズをHubbleスケールと膨張に関連付けてPBH質量 M ~ H_i r_i^2 M_P^2 を導出し、M ~ M_P^2/H_i e^{2N} となり、最も単純な場合に f(M) ∝ M^{-1/2} の質量スペクトルになる。
• B_* を基準線として導出し、インフレーターのロール Δφ1 が B を B ≈ B_* sqrt(1 + (Δφ1^2/φ2,F^2)) によってどのように修正されるかを示す。
• 異なるスローリ-roll ポテンシャル V_inf（パワー則型や KKLT インスパイア型を含む）がピーク構造 f(M) と N_* およびモデルパラメータに対する依存を形作る。
• ピーク質量を観測のヒントと結びつけ、ストリング・ランドスケープにおける多峰スペクトルの潜在的な関連性を示す定性的議論を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション中の primordial 過程から M ≥ 10^9 M_sun の超大質量PBHは形成可能か。
• RQ2 スローリ-roll インフレーションで隣接する真空がピーク付きのマルチバースPBH質量スペクトルを生み、ピークが M ~ 10^11 M_sun に達するか。
• RQ3 得られるPBH集団はナノヘルツの重力波信号とJWSTによる初期の大質量銀河の存在を説明できるか。
• RQ4 V ∝ φ^p や KKLT 型など、異なるインフレーションポテンシャルは PBH 質量スペクトルにおけるピーク質量と高さにどのような影響を与えるか。

主な発見

• 隣接する真空の近くを通過するインフレーターのメカニズムが泡核生成を強化し、ピークを持つマルチバースPBH質量スペクトルを生み出す。
• 妥当なスローリ-roll 条件下でピーク質量が M ≳ 10^{11} M_sun に到達し、自然に超大質量PBHを提供する。
• PBH質量スペクトルは単純な場合 f(M) ∝ M^{-1/2} に概ねスケールし、ピーク位置は N_* とインフレーションポテンシャルによって決定される。
• 異なるスローリ-rollモデル（混沌様 φ^p や KKLT 派生形を含む）は、 plotted 例に示されるように多峰スペクトルを生み出す。
• 提案されたマルチバースPBHは初期の超大質量ブラックホールの種となり、ナノヘルツのGW背景やJWSTが検出する初期高 redshift の巨大星系を説明する可能性がある。
• 多峰スペクトルはおそらくスローリ-rollインフレーションとストリング真空の両方に関する情報を符号化している。