[論文レビュー] The hunt for sub-solar primordial black holes in low mass ratio binaries is open

K. S. Phukon, G. Baltus+8 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 20

ひとこと要約

本研究では、LIGO/Virgo O2データを用いて、質量比が低い二重系において、太陽質量未満の原始ブラックホール（PBH）合体の探索を拡張する。主星質量が2 M⊙を超えるが、片方の成分が1 M⊙未塔の系に注目する。4件の候補イベントが低誤報率で特定されたが、統計的に有意な検出は得られなかった。しかし、虚無仮説からの限界から得られた合体率制限は、~2–3 M⊙におけるQCD遷移に起因するピークを持つモデルでは、PBHがダークマターの100%を占め得ることを示唆している。

ABSTRACT

We perform a search for binary black hole mergers with one subsolar mass black hole and a primary component above $2 M_\odot$ in the second observing run of LIGO/Virgo. Our analysis therefore extends previous searches into a mass region motivated by the presence of a peak in any broad mass distribution of primordial black holes (PBHs) around $[2-3] M_\odot$ coming from the equation of state reduction at the QCD transition. Four candidate events are found passing a false alarm rate (FAR) threshold of 2 per year, although none are statistically significant enough for being clear detections. We first derive model independent limits on the PBH merging rates assuming a null result of the search. Then we confront them to two recent scenarios in which PBHs can constitute up to the totality of the Dark Matter, explain LIGO/Virgo mergers and the possible observation of a stochastic gravitational-wave background by NANOGrav. We find that these models still pass the rate limits and conclude that the analysis of the O3 and O4 observing runs will be decisive to test the hypothesis of a primordial origin of black hole mergers.

研究の動機と目的

• 主星質量が2 M⊙を超える低質量比二重系に、太陽質量未満の原始ブラックホール（PBH）が存在するかを調査する。
• 従来のLIGO/Virgo探索を2 M⊙の閾値を超えて拡張し、~2–3 M⊙付近のQCD遷移に起因するPBH質量関数のピークを探索する。
• GW190521 や GW190814 を含むLIGO/Virgoの合体観測とダークマターを説明できるPBHモデルの妥当性を評価する。
• PBHシナリオを検証するため、太陽質量未満から太陽質量までの範囲で、モデルに依存しない合体率の上限を導出する。
• N体シミュレーションによる初期二重系の率抑制を考慮することで、矛盾するPBH豊度限界を統合する。

提案手法

• Advanced LIGO および Virgo の O2 データを用い、片方が0.1–1 M⊙、もう片方が2–10 M⊙の二重ブラックホール合体を、コherent検索で探索する。
• 低質量比系（q < 0.5）および太陽質量未満の二次的質量を想定したテンプレートバンクを用いた一致フィルタリング手法を適用する。
• 誤報率（FAR）の閾値を年間2件に設定し、候補イベントを特定。さらに単一検出器のトリガーを用いた追加検証も実施。
• クラスタ形成率および抑制係数の不確実性を組み込み、90%信用区間でPBH合体率のモデルに依存しない上限を導出する。
• 2つの理論的PBH合体率予測（~2–3 M⊙付近のQCD誘発ピークを持つモデルと、広い質量関数を持つモデル）と照合する。
• N体シミュレーションによる初期二重系の抑制を組み込んだ更新された率規定を用いて、以前のO2限界（Abbott et al. 2019b）を再分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO/Virgo O2データにおいて、低質量比二重系の太陽質量未満の原始ブラックホールは検出可能か？
• RQ2 LIGO/Virgoブラックホールの観測合体率は、~2–3 M⊙付近のQCD誘発ピークを持つ原始的起源を支持するか？
• RQ3 初期に形成された二重系における率抑制を考慮した場合、現在のPBH豊度限界は堅牢か？
• RQ4 NANOGravのステーショナリースペクトル背景を説明できるPBHモデルは、O2データを踏まえて依然として妥当性を保つか？
• RQ5 O3およびO4観測ランは、太陽質量未満のPBHをどの程度感度で検出可能か？そして、原始的ブラックホール仮説を決定的に検証できるか？

主な発見

• 合体信号対雑音比が8を超える4件の候補イベントが特定されたが、誤報率は年間2件未塔であり、いずれのイベントについても統計的有意性に達しなかった。
• 0.1–1 M⊙および2–10 M⊙の質量範囲で、モデルに依存しないPBH合体率の上限が確立され、2 M⊙を超える範囲で従来の制限を拡張した。
• 虚無仮説からの限界にもかかわらず、初期二重系および後期二重系の両シナリオにおいて、f_PBH = 1（つまりPBHが唯一のダークマター成分）が許容される。
• O2データの再分析により、N体シミュレーションによる率抑制を無視した過去の限界（Abbott et al. 2019b）が厳しすぎたことが判明。抑制を組み込むと、制限ははるかに弱くなる。
• O3およびO4観測ランは、太陽質量未満のPBHが存在する場合、ブラックホール合体の原始的起源を決定的に検証できると予想される。
• 複数の低有意性の候補が存在することは、太陽質量未満のPBH集団の存在を示唆する可能性があり、より長い期間、より感度の高いデータを用いた深層的分析が求められる。