[논문 리뷰] Domain wall interpretation of the PTA signal confronting black hole overproduction

Yann Gouttenoire, Edoardo Vitagliano|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 30.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Arrays, PTA)가 검출한 확률적 중력파 배경(SGWB)이 초기 우주에서 상호작용하는 도메인 월(DW) 네트워크에서 기인하며, 동시에 초수평부 도메인 월 붕괴로 인해 원시 블랙홀(PBHs)이 생성된다고 제안한다. PBH 과잉생성 조건을 사전 조건으로 삼아 PTA 데이터에 대한 베이지안 분석을 수행한 결과, 상관 길이 L≳0.6t인 도메인 월은 지구 기반 간섭계에서 관측 가능한 킬로헤르츠(kilo-Hz) SGWB를 생성하며, 이로 인해 질량 ~10 M☉인 PBHs가 생성된다.

ABSTRACT

Recently, Pulsar Timing Array (PTA) collaborations have detected a stochastic gravitational wave background (SGWB) at nano-Hz frequencies, with Domain Wall networks (DWs) proposed as potential sources. To be cosmologically viable, they must annihilate before dominating the universe energy budget, thus generating a SGWB. While sub-horizon DWs shrink and decay rapidly, causality requires DWs with super-horizon size to continue growing until they reach the Hubble horizon. Those entering the latest can be heavier than a Hubble patch and collapse into Primordial Black Holes (PBHs). We conduct a Bayesian analysis of the PTA signal, interpreting it as an outcome of SGWB from DW networks, with a prior ensuring no PBH overproduction. Our findings indicate that DWs result in the production of solar-mass PBHs. The binary mergers occurring within these PBHs generate a second SGWB in the kilo-Hz domain which could be observable in on-going or planned Earth-based interferometers.

연구 동기 및 목표

• 도메인 월 네트워크가 PTA의 확률적 중력파 배경(SGWB)을 동시에 설명할 수 있고 원시 블랙홀(PBHs) 과잉생성 제약 조건을 충족하는지 조사하는 것.
• 도메인 월 상호작용 동안 초수평부 도메인 월 붕괴로 인한 원시 블랙홀의 비율을 막힘 이론(percolation theory)을 사용해 추정하는 것.
• PBH 과잉생성 조건을 물리적 사전 조건으로 포함하여, PTA 데이터셋(NG15 및 IPTA2)에 대한 베이지안 분 析을 수행하고, 도메인 월 및 초거대 블랙홀 이원성(binary) 기여를 동시에 고려하는 것.
• 특히 지구 기반 간섭계에서 관측 가능한 킬로헤르츠 대역의 두 번째 SGWB와 같은 이러한 도메인 월 네트워크의 관측 가능 서명을 규명하는 것.

제안 방법

• 수치 시뮬레이션에서 A ≈ 0.8를 얻은 스케일링 영역에서 ρ_DW = σ / L를 사용해 도메인 월 네트워크의 에너지 밀도와 상관 길이를 모델링하며, L ≈ t / A로 정의된다.
• 도메인 월 상호작용 동안 초수평부 도메인 월이 블랙홀로 붕괴하는 비율을 막힘 이론을 적용해 추정한다.
• 중력파 전용 라이브러리 GWOnly-Ext의 천체물리학적 사전 조건을 포함하여, 도메인 월 해석이 초거대 블랙홀 이원성 모델 대비 베이지안 추론을 통해 비교 분석한다.
• PBH 과잉생성, 빅뱅 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN), 어둠의 복사(ΔN_eff < 0.4) 제약 조건을 사전 조건으로 포함한다.
• 도메인 월 네트워크의 상관 길이 L/t에 따라 달라지는, 킬로헤르츠 대역에서의 PBH 이중성 합성으로 인한 최종 SGWB를 계산한다.
• 현재 및 향후 지구 기반 간섭계(LIGO, LISA 등)를 사용해 두 번째 SGWB의 관측 가능성 평가

Figure 1: LEFT: SGWB from DW network annihilation ( solid ) preferred by PTA datasets, assuming annihilation into SM radiation and neglecting the PBH prior constraints. In ( dotted ), we show the preferred SGWB from SMBH binaries, assuming the astrophysical prior drawn from the ${\tt GWOnly-Ext}$ li

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도메인 월 네트워크는 원시 블랙홀 과잉생성 제약 조건과도 일치하면서 PTA의 나노헤르츠 SGWB를 설명할 수 있는가?
• RQ2 초수평부 도메인 월 중 몇 퍼센트가 블랙홀로 붕괴하는가? 이 비율은 네트워크의 상관 길이에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 도메인 월 붕괴로 유도된 PBH 이중성 합성으로부터 예측되는 두 번째 중력파 배경의 진폭과 주파수 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ4 PBH 과잉생성 조건을 사전 조건으로 포함했을 때, PTA 신호에 대한 도메인 월 해석에 대한 베이지안 증거는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 지구 기반 간섭계에서 관측 가능한 킬로헤르츠 대역의 SGWB를 생성하기 위해 도메인 월 상관 길이(L/t)에 어떤 조건이 필요한가?

주요 결과

• 베이지안 분 析 결과, 도메인 월 네트워크와 초거대 블랙홀 이원성이 결합된 모델은 PTA 신호에 대해 타당한 설명을 제공하며, SM 재열 조건에서는 log₁₀(X) ≈ 0.30 ± 0.01, PBH 과잉생성 제약 조건에서는 0.22 ± 0.00의 사후 평균을 보인다.
• 지구 기반 간섭계에서 관측 가능한 킬로헤르츠 SGWB를 생성하기 위해 도메인 월의 상관 길이 L/t ≳ 0.6가 필요하며, L/t가 증가할수록 신호 강도는 감소한다.
• 초수평부 도메인 월 붕괴로 생성된 PBHs의 질량은 약 10 M☉로, 킬로헤르츠 대역 중력파 탐지기에서 탐지 가능한 질량 범위와 일치한다.
• 분석 결과, PBH 과잉생성 제약 조건이 도메인 월 모델의 허용 가능한 매개변수 공간을 크게 억제하며, 특히 L/t < 0.8인 경우 두드러진다.
• L/t ≳ 0.8인 경우, 도메인 월 네트워크에서 예측하는 PBH 밀도(식 13)는 CMB 및 킬로헤르츠 간섭계의 관측 제약 조건 내에 유지되어 모델의 타당성을 시사한다.
• SM 재열 조건과 PBH 과잉생성 사전 조건을 모두 고려한 모델은 L/t ∈ [0.8,1.5] 범위에서 log₁₀(B) ≈ 0.08 ± 0.01의 베이지안 인과도를 보이며, 도메인 월 해석에 대해 약한 비록 비중요하지 않은 지지 근거를 제공한다.

Figure 2: The solid lines shows the PBH abundance from DW networks, given in Eq. ( 13 ), as a function of the correlation length $L$ of the DW network in unit of the cosmic horizon $t$ . We set the DW network parameters to the mean and 68 $\%$ deviation of the NG15 posteriors, represented by the thr