[논문 리뷰] GW190425, GW190521 and GW190814: Three candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

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

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 34

한 줄 요약

본 논문은 GW190425, GW190521, GW190814 이벤트가 QCD 에포크에 각인된 질량 분포를 가진 원시 블랙홀의 합병으로 설명될 수 있으며, 이는 조밀한 홀에서의 tidal capture 또는 초기 우주 바이너리에서 형성된 원시 PBH에 의해 형성되며, 암흑 물질 제약과의 일관성에 대해 논의한다.

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.. Moreover, the recent event GW190521 has black hole components with masses 67 and $91~M_\odot$, and therefore lies in the so-called pair-instability mass gap, where there should not be direct formation of stellar black holes. The possibility that all of these compact objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that 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, GW190521 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos in the matter era or in the early universe. 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

• 하한 질량 구간과 상한 질량 구간의 질량을 가진 예기치 못한 GW 이벤트를 설명하기 위한 PBH 시나리오의 동기를 부여한다.
• QCD 시대 PBH 질량 분포가 proton-peak (~2–3 Msun)와 pion-bump (~30–50 Msun)을 특징으로 하며 이것이 관측된 질량과 어떻게 일치하는지 보여준다.
• PBH 바이너리 형성 경로(조밀한 홀에서의 tidal capture 혹은 초기 우주에서의 형성)가 기존 제약을 위반하지 않으면서 관측된 합병 비율을 재현할 수 있는지 평가한다.
• PBH 다크 물질 시나리오와 마이크로 렌즈 현상 및 기타 한계를 충족시키기 위한 군집화 요건에 대한 시사점을 논의한다.

제안 방법

• QCD 전이에 각인된 PBH 질량 분포를 채택하되 2–3 Msun의 proton-피크와 30–50 Msun의 pion-붐을 특징으로 한다.
• 조밀한 홀에서의 tidal capture에 의해 형성된 PBH 이진의 합병 비율 분포를 계산한다: dτ/dln m1 dln m2 = R_clust. f(m1) f(m2) (m1+m2)^{10/7}/(m1 m2)^{5/7} yr^{-1} Gpc^{-3}.
• 형성 시 Poisson 분포로 주어진 근접성에 의한 초기 우주 이진 형성을 탐구한다: dτ/dln m1 dln m2 ≈ 1.6×10^6 Gpc^{-3} yr^{-1} f(m1) f(m2) f_sup × [(m1+m2)/Msun]^{-32/37}[(m1 m2)/(m1+m2)^2]^{-34/37} 의 형태로 억제 계수를 포함.
• PBH 이진의 파괴를 일으키는 물질 요동, 가까운 PBH들, PBH 군집에 의한 억제를 설명하기 위해 억제 계수 f_sup 및 f_PBH를 도입하고 질량 및 f_PBH 의존성을 논의한다.
• 예측된 비율을 GW190425, GW190814, GW190521 적합도 및 LIGO/Virgo 한계와 비교하여 PBH 시나리오의 실행 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 전이로 각인된 PBH 질량 함수가 GW190425, GW190814, GW190521의 질량을 설명할 수 있는가?
• RQ2 조밀한 홀에서의 tidal capture에 의해 형성되거나 초기 우주 형성에 의해 형성된 PBH 이진이 LIGO/Virgo 관측 및 한계와 호환되는 합병 비율을 생성하는가?
• RQ3 마이크로 렌즈 및 기타 천체 물리적 제약과의 일치를 위해 PBH의 군집화와 억제 계수에 어떤 요구가 필요한가?
• RQ4 현재 한계를 위반하지 않으면서 PBH가 다크 매터의 모든 혹은 상당 부분을 구성할 수 있는가?

주요 결과

• QCD proton-peak와 pion-bump를 가진 PBH 질량 분포는 GW190425, GW190814, GW190521와 호환되는 구성 질량을 산출한다.
• 조밀한 홀에서 형성된 PBH 이진의 합병 비율은 primary 질량이 >5 Msun이고 q>0.2일 때 약 20 yr^{-1} Gpc^{-3 수준일 수 있으며, R_clust ≈ 400–450일 때 GW190425, GW190521, GW190814의 90% 신뢰구간 내에 일치한다.
• PBH가 충분히 강하게 군집화되지 않는 한 암흑 물질의 상당 부분 또는 전부를 설명하는 것은 마이크로 렌즈 및 기타 한계를 회피하기 어려우며 가능성이 제한적이다.
• 초기 우주 이진만으로는 세 이벤트 전체와 큰 질량 비율을 추가 군집화 또는 채널 고려 없이 설명할 수 없다.
• 하위 태생 PBH 합병은 현재 한계와 호환되며, 질량에 따라 최대 O(10^3) yr^{-1} Gpc^{-3}까지 예측되지만, 확장된 질량 함수와 군집화를 고려하면 관측 경계와 여전히 일치한다.