[논문 리뷰] CMB constraints on ultra-light primordial black holes with extended mass distributions

Harry Poulter, Yacine Ali-Haïmoud외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 에너지 주입을 고려한 하이킹 복사에서 유래하는 초경량 원시 블랙홀(PBHs)의 확장된 질량 분포에 대한 우주 마이크로파 배경(CMB) 제약 조건을 연구한다. ΛCDM 매개변수를 자유롭게 허용할 경우, PBH 어두운 물질 비율의 제약 조건이 최대 한 계단 정도 완화되며, 10¹⁵ g에서 10¹⁷ g 사이의 균일 질량 분포에 대해 95% 배제 한계는 f_PBH < 1.6×10⁻⁵이다.

ABSTRACT

We examine the effects ultra-light primordial black holes (PBHs) have on the anisotropies of the cosmic microwave background (CMB). PBHs in the mass range of $10^{15}$ to $10^{17}$ g emit Hawking radiation in the early Universe, modifying the standard recombination history. This leads to a damping of small-scale temperature and polarisation anisotropies and enhances large-scale polarisation fluctuations. As some models of inflation predict PBHs with a range of masses, we investigate the impacts of extended mass distributions on PBH abundance constraints. We model PBH energy injection using a ground-up approach incorporating species-dependent deposition efficiencies. By allowing the $\\Lambda$CDM parameters to vary simultaneously with the PBH fraction and mass, we show that exclusion bounds on the PBH fraction of DM $f_\ ext{PBH}$ are relaxed by up to an order of magnitude, compared to the case of fixed $\\Lambda$CDM parameters. We also give 95% exclusion regions for $f_\ ext{PBH}$ for a variety of mass distributions. In particular, for a uniform mass distribution between $10^{15}$ and $10^{17}$ g, we find $f_\ ext{PBH} &lt; 1.6 \ imes 10^{-5}$ when allowing $\\Lambda$CDM parameters to vary.

연구 동기 및 목표

• 초경량 원시 블랙홀(PBHs)의 확장된 질량 분포가 그들의 어두운 물질 비율 f_PBH에 대한 CMB 제약 조건에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비단일질량 PBH 질량 분포에 대해 입자 종류에 따라 다를 수 있는 흡수 효율을 고려한 하이킹 복사에서의 에너지 주입을 모델링하기 위해.
• ΛCDM 매개변수를 자유롭게 허용할 경우 PBH 농도 배제 한계에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 다양한 질량 분포 형태(로그노멀, 균일)에 대해 CMB 제약 조건과 감마선 배경 제약 조건을 비교하기 위해.
• 단일질량 제약 조건을 확장된 분포로 변환하는 기존 방법의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 하이킹 복사에서 입자 방출 스펙트럼과 각 입자 종류에 대한 에너지 흡수 효율을 계산하는 CDG17 방법을 사용하여 PBH 에너지 주입을 모델링한다.
• 확장된 질량 분포(로그노멀 및 균일)에 대해 통합하여 재결합 기간 동안 초기 플라즈마에 주입되는 총 에너지를 계산한다.
• 비표준 에너지 주입 효과를 포함한 CMB 이질도를 계산하기 위해 수정된 볼츠만 코드를 사용한다.
• Planck CMB 데이터와 함께 연합 가능도 분석을 수행하며, PBH 매개변수(f_PBH, 질량 분포)와 기본 ΛCDM 매개변수(H₀, τ, Ω_b h²)를 모두 변형한다.
• 감마선 배경 제약 조건에 대해 잘라내기 보정을 적용하여 PBH 질량 분포 모델과 일관성을 확보한다.
• 확장된 분포의 결과를 단일질량 제약 조건과 비교하고, 기존의 변환 기법을 사용하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초경량 PBHs(10¹⁵–10¹⁷ g)의 확장된 질량 분포가 단일질량 모델에 비해 CMB 제약 조건에 f_PBH에 미치는 영향은 어떻게 되는가?
• RQ2 f_PBH와 ΛCDM 매개변수(H₀, τ) 간의 디제너러시가 이 매개변수들을 자유롭게 허용할 경우 PBH 배제 한계가 얼마나 완화되는가?
• RQ3 다양한 질량 분포 형태(로그노멀 대비 균일)에 대해 CMB 제약 조건과 감마선 배경 제약 조건은 어떻게 비교되는가?
• RQ4 넓은 질량 함수, 특히 균일 분포에 대해 단일질량 제약 조건을 확장된 분포로 변환하는 방법이 정확한가?
• RQ5 확장된 질량 함수를 가진 PBHs에 대해 잘라내기 보정이 감마선 배경 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ΛCDM 매개변수를 자유롭게 허용할 경우 f_PBH의 배제 한계가 최대 한 계단 정도 완화되며, 특히 PBH 질량이 ≥6×10¹⁶ g일 경우 두드러진다.
• 10¹⁵ g에서 10¹⁷ g 사이의 균일 질량 분포에 대해, ΛCDM 매개변수가 자유롭게 허용될 경우 f_PBH의 95% 배제 한계는 f_PBH < 1.6×10⁻⁵이다.
• 동일한 분포에서 ΛCDM 매개변수가 고정되어 있을 경우 f_PBH < 6.7×10⁻⁷로 훨씬 더 강한 제약 조건이 도출되며, 이는 매개변수의 디제너러시 중요성을 보여준다.
• 로그노멀 분포의 경우, f_PBH가 작을 때(예: 10⁻⁷) σ₁₀에 대한 제약 조건이 크게 약화되며, f_PBH = 10⁻⁷일 경우 σ₁₀에 대한 제약 조건이 전혀 없다.
• 로그노멀 분포에 대해서는 단일질량 제약 조건을 확장된 분포로 변환하는 방법이 직접 모델링 결과와 잘 일치하지만, 균일 분포의 경우 약 4.5배 정도 과대평가하는 경향이 있다.
• 중간 및 고질량 PBHs(≥3×10¹⁵ g)에 대해서는 CMB 제약 조건이 지배적이며, 고려된 범위 내에서 낮은 질량에서는 감마선 배경 제약 조건이 더 강하다.