[논문 리뷰] A Faster Growth of Perturbations in an Early Matter Dominated Epoch: Primordial Black Holes and Gravitational Waves

Subinoy Das, Anshuman Maharana외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 21.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 99인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초기 물질 지배 시대에 암흑 페르미온 간의 스칼라 매개 힘에 의해 유도되는, 초고속 성장하는 천체물리적 비균형의 시나리오를 제안한다. 이 메커니즘은 밀도 비균형이 a(t)^s 형태로 성장하며 s > 10이 되게 하여, 달보다 작은 질량의 초기 블랙홀(PBHs)을 효율적으로 형성하고, 10⁻³ Hz에서 10¹⁵ Hz에 이르는 넓은 주파수 대역의 중력파를 생성한다.

ABSTRACT

We present a scenario for fast growth of cosmological perturbations; $\delta(t) \sim a(t)^s$, $a(t)$ being the scale factor, with $s > 10$ for the numerical examples reported in this article. The basic ingredients of the scenario are an early matter dominated era and the dark fermion which experiences a scalar mediated force during the epoch. Both of these arise in string/supergravity models. The fast growth occurs for sub-horizon density perturbations of the dark fermion. The fast growth has a rich set of phenomenological implications. We outline implications for the formation of primordial black holes and the production of gravitational waves. Primordial black holes in the sub-lunar mass range (which are ideal dark matter candidates) can be produced. Gravitational waves can be produced in a wide range of frequencies due to second order scalar perturbations and due to evaporation and merger of primordial black holes.

연구 동기 및 목표

• 표준 선형 성장 이론을 초월한 물질 지배 시대에 천체물리적 비균형이 어떻게 초고속 성장할 수 있는지 설명하는 것.
• 이러한 빠른 성장이 초기 블랙홀(PBH) 형성과 중력파(GW) 생성에 미치는 현상학적 영향을 탐색하는 것.
• 이 메커니즘 하에서 달보다 작은 질량의 PBH—어두운 물질 후보로 이상적인 물체—가 효율적으로 생성될 수 있음을 보여주는 것.
• 두 번째 순서 스칼라 비균형과 PBH의 운동학적 행동에 의해 발생하는 중력파가 광범위한 주파수 대역에서 생성됨을 보여주는 것.

제안 방법

• 에너지-운동량 텐서의 트레이스에 비례하는 상수로 결합된 질량이 있는 스칼라 필드(φ)를 통해 상호작용하는 은폐된 섹터 페르미온(ψ)을 도입한다.
• 진동하는 모듈러스 또는 유사한 필드에 의해 이끌리는 초기 물질 지배(EMD) 시대를 배경 역학으로 모델링한다.
• 스칼라 매개 인력의 영향을 받는 ψ 유체의 하드로론 이하 비균형을 분석한다.
• 시간에 따라 변화하는 결합 상수를 현상학적으로 파arameter화하며, wψ = 1/3에서 wψ = 0으로의 전이가 이 힘을 유도하도록 가정한다.
• 배경과 비균형의 연립 운동 방정식을 수치적으로 풀어 s > 10의 성장 지수를 입증한다.
• 빠르게 성장하는 밀도 비균형의 붕괴로 인한 PBH 형성과 스칼라 비균형, PBH의 융합/증발 과정에 의한 중력파 생성을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 물질 지배 우주에서 비균형이 a(t) 비례보다 더 빠르게 성장할 수 있는가?
• RQ2 암흑 페르미온 간의 스칼라 매개 힘이 밀도 비균형의 초선형 성장으로 이어지는 조건은 무엇인가?
• RQ3 이러한 빠른 성장 메커니즘이 달보다 작은 질량의 초기 블랙홀을 생성할 수 있는가?
• RQ4 이 시나리오에서 두 번째 순서 스칼라 비균형과 PBH 운동학에 의해 생성된 중력파의 주파수 스펙트럼은 어떻게 되는가?
• RQ5 스트링 이론 또는 수퍼중력 이론 모델은 어떻게 필요한 초기 물질 지배와 스칼라 매개 상호작용을 자연스럽게 실현하는가?

주요 결과

• 수치적 예시에서 비균형이 a(t)^s 형태로 성장하며 s > 10이 되어 표준적인 δ ∝ a(t) 성장보다 훨씬 빠르게 성장함을 확인하였다.
• 밀도 비균형의 급격한 성장 덕분에 달보다 작은 질량의 초기 블랙홀(PBHs)이 효율적으로 생성될 수 있음이 입증됨.
• 두 번째 순서 스칼라 비균형과 PBH 융합/증발 과정으로 인해 10⁻³ Hz에서 10¹⁵ Hz에 이르는 넓은 주파수 대역에서 중력파가 생성됨.
• 초기 물질 지배와 스칼라 매개 힘을 포함하는 스트링/수퍼중력 이론 모델에서 유도되는 현상학적으로 타당한 설정에서 이 메커니즘이 작동함.
• 비상대론적 암흑 페르미온 간의 인력이 EMD 시대 동안 중력보다 강력한 스칼라 매개 힘에 의해 이 성장이 유도됨.
• EMD 시대가 약 3 MeV 이상의 재가열로 끝나므로, 빅뱅 핵합성 제약 조건과도 일치함.