[논문 리뷰] Formation of PBHs binaries and gravitational waves from their merge

Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 17.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 복사 지배 시대 동안 초기 블랙홀(PBH) 이중성의 형성을 재평가하며, 조리개 밀도 불안정성으로 인해 발생하는 tidal 힘을 고려한다. 이로 인해 PBH 병합률과 관련된 중력파 폭발률은 이전 추정치보다 약 10배 감소하며, PBH가 어둠센 물질의 f ≈ 2×10⁻2를 차지할 경우 LIGO의 GW150914 사건을 설명할 수 있다.

ABSTRACT

It was shown by (Nakamura et al. 1997), (Ioka et al. 1998), and (Sasaki et al. 2016) that primordial black holes (PBHs) binaries can form effectively at the cosmological stage of radiation dominance, and the merge of PBHs in pairs can explain the gravitational wave burst GW150914. In this paper, the model is re-examined by considering the effect of inflationary density perturbations which produce additional tidal forces. As a result, the merge rate of PBHs binaries and the corresponding rate of gravitational bursts are suppressed by about one order of magnitude in comparison with previous calculations. The rate matches the LIGO data if the PBHs constitute f ∼ 2× 10 − 2× 10 fraction of dark matter.

연구 동기 및 목표

• 복사 지배 시대 동안 초기 블랙홀(PBH) 이중성의 형성률을 재평가하기 위해.
• 인플레이션에 기인한 밀도 불안정성이 PBH 이중성의 동역학에 미치는 tidal 힘의 영향을 조사하기 위해.
• 결과적으로 도출된 PBH 병합률이 중력파 사건 GW150914를 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 수정된 모델 하에서 LIGO 관측치와 일치하기 위해 필요한 PBH 어둠센 물질 비율을 결정하기 위해.

제안 방법

• PBH 이중성에 작용하는 추가적인 tidal 힘의 원천으로서 인플레이션에 기인한 밀도 불안정성을 포함한다.
• 복사 지배 시대 동안 이러한 tidal 힘에 의해 영향을 받는 PBH 이중성의 동역학적 진화를 재분석한다.
• 초기 밀도 불안정성이 PBH 쌍의 형성과 결합에 미치는 영향을 모델링하기 위해 천체물리학적 편미분 이론을 사용한다.
• 이전 연구들(Nakamura 등 1997; Ioka 등 1998; Sasaki 등 2016)에서 사용된 동일한 프레임워크를 적용하지만, 인플레이션에 기인한 tidal 보정을 포함한다.
• 수정된 tidal 힘으로 인해 PBH 병합률이 얼마나 감소하는지 계산한다.
• 결과적으로 도출된 병합률을 GW150914의 관측된 병합률과 비교하여 PBH 어둠센 물질 비율을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션에 기인한 밀도 불안정성은 초기 블랙홀 이중성에 작용하는 tidal 힘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 인플레이션에 기인한 불안정성으로 인한 tidal 힘을 고려할 경우, PBH 이중성 병합률은 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 수정된 병합률은 관측된 중력파 사건 GW150914와 여전히 일치하는가?
• RQ4 새로운 모델 하에서 LIGO 데이터와 일치하기 위해 PBH가 어둠센 물질의 어느 정도 비율을 차지해야 하는가?
• RQ5 인플레이션에 기인한 tidal 효과를 포함함으로써 이전의 PBH 이중성 형성 및 병합률 예측은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 인플레이션에 기인한 밀도 불안정성으로 인한 tidal 힘을 고려함으로써, 이전 추정치 대비 PBH 이중성 병합률이 약 10배 감소한다.
• 감소 요인은 복사 지배 시대 동안 tidal 응력으로 인한 PBH 쌍의 동역학적 붕괴가 강화되기 때문이다.
• PBH가 어둠센 물질의 예산에서 f ≈ 2×10⁻2를 차지할 경우, 수정된 병합률은 GW150914 중력파 폭발의 관측된 비율과 일치한다.
• 모델는 GW150914를 설명하는 데 여전히 타당하지만, PBH가 어둠센 물질의 소수지만 무시할 수 없는 비율(~2%)을 차지할 경우에만 성립한다.
• 감소 효과는 이전의 과도한 예측을 LIGO의 관측 제약 조건과 조율할 수 있을 만큼 충분히 크다.