[논문 리뷰] Detecting the gravitational wave background from primordial black hole dark matter

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 45인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서 형성된 원시 블랙홀( PBH) 이진계로부터 발생하는 확률적 중력파 배경(GWB)을 질량 분포, 군집화, 초기 이심률, 속도 분산 등을 고려하여 계산한다. 넓은 PBH 질량 함수가 존재할 경우 GWB의 진폭이 크게 증가하여 LISA와 가능성이 있는 SKA PTA에서도 탐지 가능하며, 천체물리적 배경과 구별되는 특징적인 저주파수 전환점이 나타난다.

ABSTRACT

The black hole merging rates inferred after the gravitational-wave detection by Advanced LIGO/VIRGO and the relatively high mass of the progenitors are consistent with models of dark matter made of massive primordial black holes (PBH). PBH binaries emit gravitational waves in a broad range of frequencies that will be probed by future space interferometers (LISA) and pulsar timing arrays (PTA). The amplitude of the stochastic gravitational-wave background expected for PBH dark matter is calculated taking into account various effects such as initial eccentricity of binaries, PBH velocities, mass distribution and clustering. It allows a detection by the LISA space interferometer, and possibly by the PTA of the SKA radio-telescope. Interestingly, one can distinguish this background from the one of non-primordial massive binaries through a specific frequency dependence, resulting from the maximal impact parameter of binaries formed by PBH capture, depending on the PBH velocity distribution and their clustering properties. Moreover, we find that the gravitational wave spectrum is boosted by the width of PBH mass distribution, compared with that of the monochromatic spectrum. The current PTA constraints already rule out broad-mass PBH models covering more than three decades of masses, but evading the microlensing and CMB constraints due to clustering.

연구 동기 및 목표

• 원시 블랙홀(PBH) 이진계가 암흑물질 후보로 제공하는 확률적 중력파 배경(GWB)을 모델링하기 위해.
• PBH 군집화, 질량 분포, 초기 이심률, 속도 분산이 GWB 진폭과 스펙트럼 형태에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 질량 분포와 군집화로 인한 주파수 의존적 고유 특징을 통해 PBH에 기인한 GWB를 천체물리적 배경과 구별하기 위해.
• 특히 비단일질량 분포 조건에서 향후 관측소인 LISA와 PTA를 통해 PBH GWB의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 최근 CMB, 마이크로렌즈, 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Array) 등의 제약 조건을 고려하여 PBH 암흑물질 모델의 타당성 평가하기 위해.

제안 방법

• PBH의 속도와 질량 분포에 의해 결정되는 최대 영향 매개변수를 고려하여 초기 우주에서 중력 캡처를 통한 PBH 이진계 형성 모델링하기.
• 중력파 방출과 궤도 감쇠를 포함한 캡처에서 병합까지의 PBH 이진계 진화 시뮬레이션 수행하기.
• PBH에 대해 로그노멀 질량 분포를 도입하여, 단일질량 모델 대비 스펙트럼의 넓어짐이 GWB 진폭을 증가시킴을 보여주기.
• 초기 이심률을 고려하되, 중력파 방출에 의해 매우 빠르게 감쇠되어 장기적으로 GWB 스펙트럼에 미치는 영향이 작음.
• LISA와 PTA의 주파수 대역에서 PBH 군집화의 영향을 포함하여 GWB 전력 스펙트럼 계산하기. 군집화로 인해 병합률은 감소하지만 국소 신호 강도는 증가함.
• PBH 캡처 시나리오에서 초기 궤도 간격의 유한한 범위로 인해 발생하는 물리적 한계로 인해 특징적인 저주파수 전환점이 나타나는 점을 고려하여 천체물리적 배경과 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원시 블랙홀의 넓은 질량 분포가 확률적 중력파 배경의 진폭과 스펙트럼 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 PBH 이진계에서 기인한 중력파 배경은 천체물리적 이진 블랙홀 배경과 주파수 의존성에 의해 구별될 수 있는가?
• RQ3 PBH 군집화와 속도 분산이 PBH에 기인한 GWB의 탐지 가능성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 현재의 관측 제약(예: 마이크로렌즈와 CMB)은 넓은 질량 함수를 가진 PBH 암흑물질 모델을 어느 정도 허용하는가?
• RQ5 향후 우주 기반(LISA) 및 지상 기반(SKAR PTA) 중력파 관측소에서 PBH에 기인한 GWB가 탐지 가능한가?

주요 결과

• PBH 질량 분포가 넓을 경우, 저질량 이진계의 기여로 인해 PBH 암흑물질에서 기인하는 확률적 중력파 배경의 진폭이 단일질량 예측보다 크게 증가한다.
• GWB 스펙트럼은 중력 캡처 시나리오에서 초기 궤도 간격의 물리적 한계로 인해 특징적인 저주파수 전환점이 나타나며, 이는 천체물리적 배경에는 없는 특징이다.
• LISA 우주 간섭계는 단일질량 분포 조건에서도 PBH GWB를 탐지할 수 있으며, 넓은 질량 함수 조건에서는 매우 뚜렷한 탐지 가능성이 있다.
• GWB는 질량 분포와 군집 특성에 따라 SKA 펄서 타이밍 어레이에서도 탐지 가능할 수 있다.
• 초기 궤도 이심률은 중력파 방출에 의해 한 주기 이내로 매우 빠르게 감쇠되어 최종 GWB 스펙트럼에 큰 영향을 주지 않음.
• 현재 PTA 제약 조건은 질량 범위가 6개 디아드 이상인 PBH 모델을 배제하고 있으며, 이는 PBH가 군집화된 허브에서 발생할 경우 마이크로렌즈와 CMB 제약을 피할 수 있기 때문이다.