[논문 리뷰] Electromagnetic probes of primordial black holes as dark matter

Yacine Ali-Haïmoud, S. Clesse외 92명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 106인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 2020년대에 예정된 미션들인 Euclid, WFIRST, eROSITA, 그리고 Athena의 전자기 관측을 통해 질량 약 30 M⊙인 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠성 물질의 전부 또는 일부를 차지하는지 여부를 조사할 수 있다고 제안한다. 소스 제거된 우주적 적외선 배경(CIB)의 백분율 수준 이하의 변동성을 측정하고, 이를 비해체된 X선 배경(CXB) 비정상성과 상관관계를 분석함으로써, 높은 민감도로 PBH 어둠성 물질 모델을 시험할 수 있으며, 이는 오랫동안 제기된 가설을 확인하거나 배제하기 위한 핵심적인 전자기적 길을 제공한다.

ABSTRACT

The LIGO discoveries have rekindled suggestions that primordial black holes (BHs) may constitute part to all of the dark matter (DM) in the Universe. Such suggestions came from 1) the observed merger rate of the BHs, 2) their unusual masses, 3) their low/zero spins, and 4) also from the independently uncovered cosmic infrared background (CIB) fluctuations signal of high amplitude and coherence with unresolved cosmic X-ray background (CXB). Here we summarize the prospects to resolve this important issue with electromagnetic observations using the instruments and tools expected in the 2020's. These prospects appear promising to make significant, and potentially critical, advances. We demonstrate that in the next decade, new space- and ground-borne electromagnetic instruments, combined with concurrent theoretical efforts, should shed critical light on the long-considered link between primordial BHs and DM. Specifically the new data and methodologies under this program will involve: I) Probing with high precision the spatial spectrum of source-subtracted CIB with Euclid and WFIRST, and its coherence with unresolved cosmic X-ray background using eROSITA and Athena, II) Advanced searches for microlensing of Galactic stars by the intervening Galactic Halo BHs with OGLE, Gaia, LSST and WFIRST, III) Supernovae (SNe) lensing in the upcoming surveys with WFIRST, LSST and also potentially with Euclid and JWST, IV) Advanced theoretical work to understand the details of PBH accretion and evolution and their influence on cosmic microwave background (CMB) anisotropies in light of the next generation CMB experiments, V) Better new samples and theoretical understanding involving stability and properties of ultra faint dwarf galaxies, pulsar timing, and cosmological quasar lensing.

연구 동기 및 목표

• 질량 약 30 M⊙인 초기 블랙홀(PBHs)이 우주의 어둠성 물질의 전부 또는 일부를 차지하는 가설을 시험하는 것.
• 2020년대에 예정된 천체망원경 및 지상 전자기 관측 장비를 활용하여 PBH-어둠성 물질 연결 고리를 높은 정밀도로 규명하는 것.
• 비해체된 우주적 적외선 배경(CIB) 및 비해체된 우주적 X선 배경(CXB)의 변동성 간 상관관계를 이용해 PBH에 의해 유도된 비정상성을 탐지하는 것.
• PBH의 질량 증식, 진화 및 CMB 비정상성과 은하 집단에 대한 잔여 흔적에 대한 이론적 이해를 심화하는 것.
• OGLE, Gaia, LSST, WFIRST 등의 마이크로렌즈 조사와 활성은하핵 렌즈 데이터를 융합하여 PBH 질량 함수와 은하단 분포를 제약하는 것.

제안 방법

• Euclid와 WFIRST를 이용해 1.8 μm에서 소스 제거된 우주적 적외선 배경(CIB) 비정상성을 백분율 수준 이하의 통계 정확도로 측정한다.
• eROSITA와 Athena를 이용해 CIB 변동성과 비해체된 우주적 X선 배경(CXB)을 상관관계 분석하여 고적성도 PBH의 흔적을 보여주는 일관성을 탐지한다.
• 비해체된 30 M⊙ PBH에서 기인하는 파oisson granulation 성분으로서 CIB 스펙트럼을 모델링하고, ΛCDM 기준선과 비교한다.
• OGLE, Gaia, LSST, WFIRST의 마이크로렌즈 광선 곡선을 이용해 은하수 허브의 PBH를 항성 소스의 증폭을 통해 탐지한다.
• WFIRST, LSST, Euclid의 깊은 조사에서 초신성 렌즈 신호를 분석하여 PBH의 비율과 질량 함수를 제약한다.
• 다음 세대 CMB 실험의 정보를 바탕으로 PBH 질량 증식 및 진화 이론 모델을 CMB 비정상성 왜곡 예측과 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고적성도에서 소스 제거된 CIB 비정상성과 비해체된 CXB 변동성 간의 일관성은 PBH가 어둠성 물질임을 뒷받침하는 증거가 될 수 있는가?
• RQ2 Euclid를 이용한 CIB 변동성의 백분율 수준 이하 측정이 알려진 은하 집단과의 비교에서 PBH 유사 모델을 얼마나 정밀하게 식별할 수 있는가?
• RQ3 OGLE, Gaia, LSST 등의 마이크로렌즈 조사가 다양한 질량 범위에서 어둠성 물질의 PBH 비율을 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ4 WFIRST와 LSST의 초신성 렌즈 조사가 PBH에 의해 유도된 증폭 효과를 탐지할 수 있는가, 이는 PBH 어둠성 물질 모델과 일치하는가?
• RQ5 PBH 질량 증식이 CMB 비정상성에 미치는 예측된 영향은 무엇이며, 다음 세대 CMB 실험은 이러한 예측을 어떻게 시험할 수 있는가?

주요 결과

• CIB 소스에서 재구성된 CXB 변동성은 고적성도 기원으로 일관되며, 향후 X선 미션으로서 직접 측정하기 어려운 수준이므로 PBH 같은 숨겨진 성분이 있을 가능성이 제기된다.
• 어둠성 물질을 구성하는 30 M⊙ PBH에서 기인하는 파oisson granulation 성분은 관측된 CIB 스펙트럼과 매우 유사하여 강력한 일致성 검증을 제공한다.
• Euclid는 1.8 μm에서 소스 제거된 CIB 변동성을 백분율 수준 이하의 통계 정확도로 측정할 것으로 예상되며, 이는 알려진 은하 집단과의 비교를 통한 PBH 모델의 직접 시험을 가능하게 한다.
• Euclid와 eROSITA(녹색) 또는 Athena(빨간색)를 이용한 CIB-CXB 상관력 측정은 고의미에서 CXB 신호를 회복할 수 있으며, 비해체된 PBH를 깔끔하게 탐지할 수 있는 도구가 된다.
• OGLE, Gaia, LSST, WFIRST의 마이크로렌즈 조사에서는 은하수 허브의 PBH를 높은 민감도로 탐지할 것으로 예상되며, 특히 질량 약 30 M⊙에서 뚜렷한 결과를 낼 수 있다.
• 다음 세대 CMB 실험의 정보를 바탕으로 PBH 질량 증식 및 CMB 비정상성 영향의 이론 모델을 통합함으로써 PBH 어둠성 물질 시나리오를 더욱 엄격히 제약할 수 있다.