[논문 리뷰] GW190425 and GW190814: Two candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 13.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 GW190425와 GW190814가 QCD 시기 동안 형성된 원시 블랙홀(PBH) 간의 병합임을 제안하며, 이 시기 동안 약 2 M⊙에서 PBH 형성의 피크가 발생한다. 관측된 병합률과 질량은 물질-복사 등수 이전에 형성된 PBH 이중성 또는 고밀도 허브에서의 천체적 포획을 통해 발생할 수 있으며, 만약 충분히 농축되어 있다면 PBH가 어두운 물질의 전부 또는 일부를 차지할 수 있다.

ABSTRACT

The two recent gravitational-wave events GW190425 and GW190814 from the third observing run of LIGO/Virgo have both a companion which is unexpected if originated from a neutron star or a stellar black hole, with masses $[1.6-2.5]~M_\odot$ and $[2.5-2.7]~M_\odot$ and merging rates $ 460^{+1050}_{-360} $ and $ 7^{+16}_{-6}$ events/yr/Gpc$^3$ respectively, at 90\% c.l.. The possibility that these objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that the PBH formation is boosted at the time of the QCD transition, inducing a peak in their distribution at this particular mass scale, and a bump around $30-50~M_\odot$. We find that the merging rates inferred from GW190425 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos or before matter-radiation equality. At the same time, the rate of black hole mergers around $30~M_\odot$ and of sub-solar PBH mergers do not exceed the LIGO/Virgo limits. Such PBHs could explain a significant fraction, or even the totality of the Dark Matter, but they must be sufficiently strongly clustered in order to be consistent with current astrophysical limits.

연구 동기 및 목표

• GW190425와 GW190814와 같은 중력파 사건이 중성자별이나 별성 블랙홀이 아닌 원시 블랙홀(PBH)에서 기인할 수 있는지 조사하는 것.
• 이 사건들의 관측된 질량과 병합률이 QCD 상전이 기간 동안의 PBH 형성과 일치하는지 평가하는 것.
• 병합률과 농축에 대한 천체물리적 제약 조건 하에서 PBH가 어두운 물질 후보로 타당한지 평가하는 것.

제안 방법

• QCD 전이 시기에서 강화된 PBH 질량 함수를 모델링하여 약 2 M⊙에서 피크가 발생하고, 30–50 M⊙ 범위에 제2의 피크가 나타나도록 한다.
• 조기 우주의 열역학적 역사와 함께 QCD 시기 동안의 PBH 형성률을 계산한다.
• 물질-복사 등수 이전의 원시 농축 또는 고밀도 어둠소성 물질 허브 내에서의 천체적 포획을 통해 형성된 PBH 이중성의 병합률을 추정한다.
• 예측된 병합률을 LIGO/Virgo의 90% 신뢰수준 상한선과 비교한다.
• 현재의 천체물리적 관측 결과를 적용하여 PBH가 이 사건들을 설명하기 위해 필요한 농축 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GW190425와 GW190814의 보조 천체 질량이 QCD 전이 기간 동안 형성된 원시 블랙홀로 설명될 수 있는가?
• RQ2 GW190425와 GW190814의 관측 병합률이 포획 또는 원시 농축을 통한 PBH 이중성 형성과 일치하는가?
• RQ3 약 30 M⊙와 태양질량 이하의 PBH 병합률이 LIGO/Virgo 관측 상한선을 초과하는가?
• RQ4 PBH가 현재의 천체물리적 제약 조건과 일치하면서 어둠소성 물질의 전부 또는 일부를 차지할 수 있는가?

주요 결과

• GW190425와 GW190814의 보조 천체 질량이 각각 [1.6–2.5] M⊙ 및 [2.5–2.7] M⊙ 범위에서 관측된 바, QCD 전이 시기에서의 PBH 형성 피크와 일치한다.
• 병합률 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₆₀ 및 7⁺¹⁶₋₆ 事件/yr/Gpc³로 추정된 병합률은 고밀도 허브 내 포획 또는 물질-복사 등수 이전의 원시 농축을 통해 형성된 PBH 이중성과 일치한다.
• 약 30 M⊙와 태양질량 이하의 PBH 병합률은 LIGO/Virgo의 상한선을 초과하지 않으며, 이는 PBH가 어둠소성 물질 후보로 타당함을 뒷받침한다.
• PBH는 어둠소성 물질의 상당 부분 또는 전부를 차지할 수 있지만, 현재의 천체물리적 제약 조건을 충족시키기 위해 충분히 강하게 농축되어야 한다.