[논문 리뷰] Exclusion of the remaining mass window for primordial black holes as the dominant constituent of dark matter

Paolo Pani, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 13.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀도가 10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 이상인 영역에서 오래된 중성자성우의 존재를 고려할 때, 10^17–10^24 g 범위의 초기 블랙홀(PBHs)이 중성자성우의 중력적 포획으로 인해 고각운동량 성분에서 에너지 손실이 발생함에 따라 빠르게 붕괴되므로, 주로 암흑물질 성분으로서 배제됨을 보여준다. 이 분석은 점입자 근사에서의 에너지 손실 발산을 점성 및 crust 탄성으로 정규화함으로써 수행되며, 새로운 제약 조건을 설정하여 암흑물질 밀도 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3를 요구하며, PBH 질량 창을 좁히고 기존 제약 조건과 결합하여 이 질량 범위의 PBH가 주요 암흑물질 성분이 될 수 없음을 배제한다.

ABSTRACT

In a close encounter with a neutron star, a primordial black hole can get gravitationally captured by depositing a considerable amount of energy into nonradial stellar modes of very high angular number $l$. If the neutron-star equation of state is sufficiently stiff, we show that the total energy loss in the point-particle approximation is formally divergent. Various mechanisms -including viscosity, finite-size effects and the elasticity of the crust- can damp high-$l$ modes and regularize the total energy loss. Within a short time, the black hole is trapped inside the star and disrupts it by rapid accretion. Estimating these effects, we predict that the existence of old neutron stars in regions where the dark-matter density rho_{DM}>10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 (where sigma is the dark-matter velocity dispersion) limits the abundance of primordial black holes in the mass range 10^{17} g < m_{PBH} < 10^{24} g, which was previously unconstrained. In combination with existing limits, our results suggest that primordial black holes cannot be the dominant dark matter constituent.

연구 동기 및 목표

• 10^17–10^24 g 질량 범위의 초기 블랙홀(PBHs)이 주요 암흑물질 성분이 될 수 있는지 조사하기.
• 고차수 비경심성 성우 진동 모드에서의 에너지 침전을 통해 PBHs가 중성자성우를 포획하고 붕괴시키는 가능성 평가하기.
• 고밀도 암흑물질 영역에서 오래된 중성자성우의 생존을 분석함으로써 PBH 농도에 대한 관측 제약 조건 도출하기.
• 점입자 근사에서 형식적으로 발산하는 에너지 손실을 점성 및 crust 탄성과 같은 물리적 메커니즘을 통해 정규화하기.

제안 방법

• 고각운동량 수준 l을 가진 비경심성 성우 진동을 통해 중성자성우와의 가까운 접근 동안 PBH의 에너지 손실 모델링하기.
• 점입자 근사를 적용하여 총 에너지 손실 계산하기. 이 경우 강성 상태방정식에서는 형식적으로 발산함.
• 점성, 유한한 크기 효과, crust 탄성과 같은 물리적 정규화 메커니즘을 도입하여 고l 모드를 감쇠시키고 에너지 손실을 유한하게 만들기.
• 에너지 손실과 성우의 구조적 파arameter를 기반으로 PBH 포획 및 붕괴에 소요되는 시간스케일 추정하기.
• 암흑물질 밀도 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 인 영역에서 오래된 중성자성우의 관측된 생존을 활용하여 PBH 농도 제약 조건 설정하기.
• 유도된 제약 조건을 기존 관측 제약 조건과 결합하여 PBH가 주요 암흑물질 성분일 수 있는지 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^17–10^24 g 질량 범위의 초기 블랙홀(PBHs)이 고l 성우 모드에서의 에너지 침전으로 인해 중성자성우에 포획될 수 있는가?
• RQ2 강성 중성자성우 상태방정식에서 점입자 근사에서 형식적으로 발산하는 에너지 손실이 현실적인 효과에 의해 물리적으로 정규화되는가?
• RQ3 중성자성우 생존을 근거로 하여 이 질량 범위의 PBH를 배제하기 위해 필요한 최소 암흑물질 밀도는 얼마인가?
• RQ4 점성, 유한한 크기 효과, crust 탄성은 PBH의 총 에너지 손실과 포획 시간스케일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 중성자성우 생존 제약 조건과 기존 제약 조건을 통합하면, PBH가 주요 암흑물질 성분일 수 있는지 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 강성 중성자성우 상태방정식에서 점입자 근사에서의 총 에너지 손실은 발산하지만, 점성 및 crust 탄성과 같은 물리적 메커니즘이 이를 정규화한다.
• 10^17–10^24 g 질량 범위의 PBHs는 고l 모드에서의 뚜렷한 에너지 침전으로 인해 짧은 시간스케일 내에 효과적으로 포획되고 중성자성우를 붕괴시킨다.
• 암흑물질 밀도 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 인 영역에서 오래된 중성자성우의 생존은 이 질량 범위의 PBHs를 주요 암흑물질 성분으로서 배제한다.
• 중성자성우 생존을 기반으로 유도된 제약 조건은 이전에 제약 없이 남아 있던 10^17–10^24 g 창에서 이전 제약보다 더 강력하다.
• 기존 관측 제약 조건과 결합할 때, 결과는 초기 블랙홀이 암흑물질의 주요 성분이 될 수 없다는 것을 시사한다.