[論文レビュー] Ultra-low mass PBHs in the early universe can explain the PTA signal

Nilanjandev Bhaumik, Rajeev Kumar Jain+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、スペクトル指数 ns ≈ 1.45–1.6 のインフレーション期スカラー功率スペクトルの広いピークから生成された、質量が約 10⁸ g の超低質量原始ブラックホール（PBH）が、ナノヘルツ周波数帯で観測された最近のパルサー計時配列（PTA）信号を説明する共鳴的確率的重力波背景（SGWB）を生成できることを提案している。このモデルは、超大質量ブラックホール二重星系モデルよりも NANOGrav データに適合し、将来の第3世代干渉計および CMB スペクトル歪みプローブによって検証可能である。

ABSTRACT

Pulsar Timing Array collaborations have recently announced the discovery of a stochastic gravitational wave background (SGWB) at nanohertz frequencies. We analyze the GW signals from the domination of ultra-low mass primordial black holes (PBHs) in the early universe and show that they can explain this recent discovery. This scenario requires a relatively broad peak in the power spectrum of scalar perturbations from inflation with a spectral index in a narrow range of $1.45$ to $1.6$. The resulting PBH population would have mass around $10^{8}$g, and the initial abundance $β_f$ lies between $10^{-10}$ and $10^{-9}$. We find that this explanation is preferred by the data over the generic model, assuming supermassive BHs as the source. These very light PBHs would decay before Big Bang Nucleosynthesis (BBN); however, upcoming third-generation terrestrial laser interferometers would be able to test the model by observing the GW spectrum produced during the formation of the PBHs. Also, the scalar power spectra associated with our scenario will be within the reach of PIXIE probing CMB spectral distortions.

研究の動機と目的

• パルサー計時配列（PTA）観測で最近検出されたナノヘルツ周波数帯の確率的重力波背景（SGWB）を説明すること。
• 質量が約 10⁸ g の超低質量原始ブラックホール（PBH）が、インフレーション期スカラー功率スペクトルの広いピークから生成され、PTA データに一致する共鳴的 SGWB を生成できるかどうかを調査すること。
• ベイジアン証拠を用いて、PBH モデルと標準の超大質量ブラックホール二重星系（SMBHB）モデルを比較すること。
• 将来の重力波および CMB スペクトル歪み観測によって、PBH モデルの検証可能な予測を同定すること。
• PBH の生成と観測された SGWB に一致するインフレーション期スカラー功率スペクトルのパrameters（ピークの振幅、位置、スペクトル指数）を制約すること。

提案手法

• スカラー功率スペクトルを、k ≤ k_pk の領域で青傾き指数 n₀ を持つ、ピークを持つ不連続なべき乗法としてモデル化し、振幅 A₀、ピーク波数 k_pk を特徴とする。
• スカラー功率スペクトルのピークを用いて、初期放射支配期（eRD）におけるホライズンスケールの摂動から生成される PBH の形成確率と質量関数を計算する。
• PBH がエネルギー密度を一時的に支配し、ホーキング放射によって蒸発する宇宙論的進化をシミュレートし、一時的な物質支配期をもたらす。
• スカラー摂動のダイナミクスを用いて、PBH 支配から放射支配への遷移期における確率的重力波背景（SGWB）の共鳴的増幅を計算する。
• PBH の形成プロセスに起因する2次の SGWB を計算し、共鳴的および非共鳴的寄与を含む。
• ベイジアンモデル比較を用いて、予測された SGWB スペクトルを NANOGrav 15年分のデータと比較し、SMBHB モデルに対する優位性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が M ~ 10⁸ g の超低質量 PBH が、インフレーション期スカラー功率スペクトルの広いピークから生成され、PTA が観測したナノヘルツ周波数帯の信号と一致する共鳴的 SGWB を生成できるか？
• RQ2 どのようなインフレーション期パワー スペクトル パrameters（A₀, k_pk, n₀）が、PBH の豊度 β_f ∈ [10⁻¹⁰, 10⁻⁹] と観測された SGWB の振幅およびスペクトル形状に一致するか？
• RQ3 ベイジアン統計的評価において、PBH 由来の SGWB モデルは、NANOGrav 15年分のデータを説明する標準の SMBHB 合体モデルよりも優れているか？
• RQ4 将来の第3世代重力波検出器（例：エイントシュタイン・テレスコープや LISA や Roman に類似した宇宙望遠鏡）は、PBH 生成に起因する予測された SGWB 特徴を検出可能か？
• RQ5 PIXIE やスーパーPIXIE に類似した CMB スペクトル歪みプローブは、この状況下でのインフレーション期スカラーパワー スペクトルをどの程度まで制約できるか？

主な発見

• スペクトル指数 ns ≈ 1.45–1.6 の広いピークを持つスカラーパワー スペクトルを仮定した PBH モデルは、NANOGrav 15年分のデータに高い忠実度で適合する共鳴的 SGWB を生成する。
• このモデルは、PBH の質量が約 10⁸ g であり、ビッグバンヘリウム合成（BBN）の前に蒸発する可能性がある初期豊度 β_f が 10⁻¹⁰ から 10⁻⁹ の範囲にあると予測する。
• ベイジアンモデル比較により、NG15 および IPTA2 データの両方において、標準の SMBHB モデルよりも超低質量 PBH モデルに強い証拠が得られた。
• PBH の形成に起因する2次の SGWB は、エイントシュタイン・テレスコープ や カーボン・エクスプローラー に代表される第3世代地上レーザー干渉計の感度範囲内にある。
• PBH の生成に起因するインフレーション期スカラーパワー スペクトルは、将来の CMB スペクトル歪みプローブ（例：PIXIE や スーパーPIXIE）によって観測可能である。
• SGWB スペクトルにおける PBH 生成ピークは、他のパワー スペクトル形状とのデゲネラシーを解消し、基礎的なインフレーションモデルを一意に同定可能である。