[논문 리뷰] Binary Supermassive Black Holes Orbiting Dark Matter Solitons: From the Dual AGN in UGC4211 to NanoHertz Gravitational Waves

Tom Broadhurst, Chao Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 30.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 UGC4211의 이중 SMBH 시스템을 파동 암흑물질 솔리톤을 공전하는 이진으로 모델링하고, 솔리톤에 의해 SGWB 스펙트럼이 수정되는 것을 도출하며, NANOGrav 데이터와의 일치를 평가해 axion-like 암흑물질 매개변수를 제약한다.

ABSTRACT

We explore orbital implications of the Supermassive Black Hole (SMBH) binary in UGC4211 for the energy spectrum of stochastic gravitational wave background (SGWB), measured with pulsar timing. The SMBH binary in UGC4211 has a projected separation of $\sim 230\,$pc and relative velocity of $\sim 150\,$km/s along the line of sight. It orbits with a disk of gas and stars, with a total mass $\sim 1.7 imes 10^9 M_\odot$ that is several times larger than the combined SMBHs plus the observed gas and stars. The unseen mass can be naturally explained by a soliton of wave dark matter present within the SMBH orbit. Such a scenario is encouraging as during galaxy merger, the two precursor galactic solitons are expected to combine to generate a new soliton and hence bind the two initial SMBHs efficiently. Generalizing this scenario to the cosmological population of SMBH binaries, we show the SGWB spectrum produced by late-stage inspiraling is modified preferentially at low frequency by the presence of soliton. Finally, we demonstrate that the NANOGrav and EPTA data can be well-fit in this scenario, favoring $\{m_a, f_a\} \sim \{10^{-21.7} { m eV}, 10^{15.5} { m GeV}\}$ and $\{10^{-20.5} { m eV}, 10^{16.8} { m GeV}\}$ respectively when the UGC4211 data and the constraints from dwarf galaxies are also combined.

연구 동기 및 목표

• UGC4211 SMBH 이중에서 보이지 않는 질량의 과잉을 중앙의 파동 암흑물질 솔리톤이 어떻게 설명할 수 있는지 동기를 부여한다.
• 슈뢰딩거-포아송 방정식으로부터 솔리톤 프로필을 유도하고 이를 이중 천체의 동역학과 연결한다.
• 솔리톤에 의해 수정된 SGWB 스펙트럼을 계산하고 PTA 데이터에 적합한 형태로 표현한다.
• UGC4211 시스템과 NANOGrav 데이터를 바탕으로 axion-like 암흑물질 매개변수를 제약한다.
• GW 관측을 통한 파동 암흑물질 솔리톤의 검증에 대한 함의와 향후 연구 방향을 논의한다.

제안 방법

• 자가상호작용을 갖는 슈뢰딩거-포아송 방정식으로 WDM 솔리톤을 모델링한다.
• 솔리톤 밀도 프로필 ~ A sech(r/Rs) 및 핵심 질량 관계(Ms, Rs)을 기술한다.
• 솔리톤 포텐셜로부터 변형된 이진 가주파수를 도출한다( Eq. 10 ).
• 솔리톤 보정 궤도 에너지와 GW 에너지 스펙트럼을 계산한다( Eq. 12, Eq. 13, Eq. 15 ).
• 솔리톤 항을 갖는 SGWB 에너지 밀도 Omega_gw(f)을 표현한다( Eq. 15 ) 및 기준 주파수 f_ref.
• 예상 스펙트럼을 NANOGrav 데이터와 비교하고 적합도 및 매개변수 함의를 논의한다.

Figure 1: Gravitational force per unit SMBH mass provided by a WDM soliton with the total mass $M_{s}$ and core radius $R_{s}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중심 WDM 솔리톤이 표준 SMBH 이진 시나리오와 비교하여 SGWB 스펙트럼의 저주파 영역을 수정하는가?
• RQ2 UGC4211 관측치와 PTA 데이터와 호환되는 axion-like DM 매개변수 공간(m_a, f_a)의 영역은 어디인가?
• RQ3 UGC4211 이중 AGN의 역학으로 솔리톤 질량 M_s 및 핵 반경 R_s를 제약하고 따라서 DM 매개변수를 제약할 수 있는가?
• RQ4 편심도나 개체군 효과와 같은 요인이 PTA 대역에서 솔리톤 유도 스펙트럼 보정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• UGC4211의 SMBH 이진이 거대한 솔리톤을 공전하고 있어 이 이진 궤도 내에서 관측된 과도한 동역학 질량을 제공할 수 있다.
• 솔리톤으로 인한 이진 역학의 주파수 이동은 저주파 기여가 강화된 수정된 SGWB 스펙트럼으로 이어진다.
• NANOGrav 데이터에 대한 피팅은 최적의 스펙트럼이 표준 SMBH 이진 예측과 일치하고 솔리톤이 필요하지 않은 반면, 솔리톤은 저주파에서 검출 가능한 변화를 유도할 수 있음을 보인다.
• 매개변수 공간 m_a 및 f_a가 UGC4211 적합도와 NANOGrav 스펙트럼의 측면에 대응하는 영역을 식별하며, f_s가 솔리톤 유도 주파수 스케일로 작용한다.
• 본 연구는 중앙 솔리톤이 SGWB에 자취를 남길 수 있음을 강조하며 이진 진화 및 솔리톤 병합의 추가 모델링을 촉진한다.

Figure 2: Data fitting for the $\Omega_{\rm gw}(f)h^{2}$ spectrum. The black solid curve represents the best-fit of Eq. ( 15 ) to the NANOGrav 15-year dataset Agazie et al. ( 2023a ) , whereas the black dotted and dashed curves represent a shift from the best-fit curve with $\log_{10}A_{\rm gw}=-14.