[論文レビュー] The History of Primordial Black Holes

B. J. Carr, Anne M. Green|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2024

Relativity and Gravitational Theory被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、1960年代の理論的基盤から、LIGOによる重力波検出に続く最近の観測的制約と再評価を経て、原始的ブラックホール（PBH）研究の50年間の歴史をたどる。PBHは、小惑星的質量および恒星質量の範囲で、広範な質量スケールにおいてダークマター候補として注目されており、初期宇宙における構造形成、ホーキング放射、微小強調レンズ効果、CMB歪み、および高速電波パulsesからの制約についてもレビューされている。

ABSTRACT

We overview the history of primordial black hole (PBH) research from the first papers around 50 years ago to the present epoch. The history may be divided into four periods, the dividing lines being marked by three key developments: inflation on the theoretical front and the detection of microlensing events by the MACHO project and gravitational waves by the LIGO/Virgo/KAGRA project on the observation front. However, they are also characterised by somewhat different focuses of research. The period 1967-1980 covered the groundbreaking work on PBH formation and evaporation. The period 1980-1996 mainly focussed on their formation, while the period 1996-2016 consolidated the work on formation but also collated the constraints on the PBH abundance. In the period 2016-2024 there was a shift of emphasis to the search for evidence for PBHs and - while opinions about the strength of the purported evidence vary - this has motivated more careful studies of some aspects of the subject. Certainly the soaring number of papers on PBHs in this last period indicates a growing interest in the topic.

研究の動機と目的

• 50年にわたる原始的ブラックホール（PBH）研究の年表的記録を提示し、主な理論的および観測的出来事の特定。
• プランクスケールから恒星質量までの広範な質量スペクトルにおいて、PBHがダークマター候補として果たす役割の評価。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）の歪み、微小強調レンズ効果（例：MACHO）、重力波検出（LIGO/Virgo/KAGRA）からの制約の評価。
• 初期構造形成の種としてのPBHの可能性、高赤方偏移銀河の説明、および超大質量ブラックホールの起源の説明。
• 現在の証拠と論争を統合し、特に小惑星的質量（10^−14–10^−8 M⊙）および恒星質量（1–100 M⊙）のPBHがダークマター候補としての可能性を評価。

提案手法

• PBH研究の年表的分析を4つの期間に分けた：1967–1980年（形成と蒸発）、1980–1996年（形成メカニズム）、1996–2016年（豊度の制約）、2016–2024年（観測的証拠の探索）。
• 初期宇宙におけるブラックホール形成条件を定義するために、シュバルツシルト半径の式 $ R_{\rm S} = 2GM/c^2 $ を使用。
• 宇宙論的密度対比の議論を用いて、異なる時代（例：プランク時刻、QCD相転移、1秒後）におけるPBH形成質量スケールを推定。
• CMB $\mu$-歪み、微小強調レンズ効果（MACHO）、重力波イベント（LIGO/Virgo/KAGRA）からの観測的制約を評価し、PBHの豊度を制限。
• 種の効果およびポisson効果を用いて、宇宙構造に与えるPBHの影響をモデル化し、質量結合スケールをそれぞれ $ \sim 4000M z_{\rm B}^{-1}M_\odot $ および $ \sim 10^7 f M z_{\rm B}^{-2}M_\odot $ とする。
• ニュートロニクルスターとの相互作用に基づく、フルーリングら（2017年）およびアブラモヴィチ＆ベイジャー（2018年）のモデルを用いて、PBHが中性子星と相互作用することでrプロセス核合成および高速電波パulsesを説明できるかを検討。

Figure 1: This diagram indicates the mass and size of various types of black holes, with the division between the micro and macro domains being indicated by the vertical line. QSO stands for “Quasi-Stellar Object”, MW for “Milky Way”, IMBH for “Intermediate Mass Black Hole”, SLAB for “Stupendously L

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1960年代から現在に至るまで、原始的ブラックホールの形成と蒸発に関する理論的理解はどのように進化してきたか？
• RQ2 微小強調レンズ効果（MACHO）、CMB歪み、重力波からの観測的制約が、PBHがダークマターとして許容されるパラメータ空間にどのように影響したか？
• RQ3 小惑星的質量範囲（10^{-14}–10^{-8} M⊙）のPBHが、中性子星との相互作用によって観測されたrプロセス元素の豊度を説明できるか？
• RQ4 10^6–10^9 M⊙のPBHが、初期の超大質量ブラックホールの種として機能できる程度はどのくらいで、高赤方偏移クェーサーとどのように整合するか？
• RQ5 PBHは初期構造形成にどのように影響を及ぼし、小銀河集団の異常や「ありえないほど大きな銀河」問題を解消できるか？

主な発見

• PBHは、形成の時期に応じて、プランク質量（10^{-5} g）から10^5 M⊙まで広範な質量スケールで形成可能であり、10^{15} g未満の質量のPBHは、現在の宇宙年齢以内にホーキング放射によって蒸発する。
• 1996年のMACHO微小強調レンズ調査により、PBH研究は年間約100本の論文にまで増加した。2016年のLIGOによる重力波検出に続き、2024年までに年間1000本を超える論文にまで急増した。
• CMB $\mu$-歪みからの制約により、電子・陽電子消失時刻に形成された約10^6 M⊙のPBHが、ダークマターの主要成分であることは排除された。
• 10^{-14}–10^{-8} M⊙の範囲のPBHが、その豊度が f > 0.01 を超える場合、中性子星との相互作用によってrプロセス元素を生成できる可能性がある。
• 質量が約10^{23} gのPBHは、放射能と時間スケールの制約に基づき、中性子星との衝突によって高速電波パulsesを生成できる可能性がある。
• 質量が約10^6 M⊙のPBHは、初期の超大質量ブラックホールを形成する種として機能し、赤方偏移 z > 7 の高赤方偏移クェーサーを説明できるが、CMB制約と整合するためには、PBHがダークマターの10^{-6}–10^{-3} 未満である必要がある。

Figure 2: Number of articles in SAO/NASA Astrophysics Data System with “Primordial Black Hole” in title in four-year bins.