[논문 리뷰] Lunar Mass Black Holes from QCD Axion Cosmology

Tanmay Vachaspati|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 12.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 QCD 아키온 우주론 시나리오에서 페체-콰이어 비대칭성 붕괴 이후 형성되는 도메인 월 조각의 분열과 붕괴로부터 달질량 블랙홀($\sim 10^{-8}\,M_\odot$)이 형성될 수 있다고 제안한다. 블랙홀 형성 확률은 낮지만, 이 확률이 너무 낮지 않다면 형성된 블랙홀이 어두운 물질에 상당한 기여를 할 수 있다. 그러나 최근 시뮬레이션 결과는 관측적으로 의미 있는 정도의 수밀도가 너무 낮을 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In the QCD axion scenario, a network of domain walls bounded by cosmic strings fragments into pieces. As these fragments collapse, some of them will form black holes. With standard QCD axion parameters, the black holes will have lunar masses ($M_{ m bh} \sim 10^{-8}\, { m M}_\odot$). Even though their number density is difficult to estimate, arguments suggest that they can constitute a reasonable fraction of the critical cosmological density.

연구 동기 및 목표

• QCD 아키온 우주론 프레임워크에서 도메인 월 조각의 붕괴로부터 블랙홀 형성 여부를 조사하기.
• 이러한 블랙홀이 어두운 물질의 임계 밀도의 비용할 수 있는 비율을 차지할 수 있는지 평가하기.
• 각운동량 제약 조건을 고려하여 끈-월 네트워크의 분열에서 블랙홀 형성 확률을 평가하기.
• 관측 제약 조건, 특히 마이크로렌즈 제약 조건과 비교하여 도출된 블랙홀 질량 스펙트럼과 에너지 밀도를 비교하기.
• 표준 QCD 아키온 이외의 다른 아키온 모델에서 이 메커니즘이 타당한지 탐색하기.

제안 방법

• Peccei-Quinn 스케일에서 전역 U(1) 대칭의 자발적 붕괴를 모델링하여 QCD 아키온 시나리오를 구성하고, 이로 인해 천체 끈과 도메인 월이 형성되도록 하기.
• 아키온 역학을 기술하기 위해 사인-고르돈 포텐셜을 사용하고, 도메인 월의 표면 장력 $\sigma = 8m_a f_{\rm PQ}^2$를 계산하며, 보정된 값으로 $8.97m_a f_{\rm PQ}^2$로 수정하기.
• 벽 붕괴 시기를 조건 $m_a(t_H)t_H = 1$을 사용하여 추정하여 $T_H \sim 2\,\text{GeV}$를 도출하고, 이는 중력적 붕괴의 시작을 나타냄.
• 레스와 빌레인킨의 각운동량 고려 사항을 적용하여 블랙홀 형성 확률 $p_{\rm bh}$를 추정하고, 독립적 vs. 상관된 성분에 대해 각각 $J_{\rm max}/J \sim 4\times10^{-3}$ 및 $J_{\rm max}/J \sim 2\times10^{-3}$를 고려하기.
• 복사기와 물질기 동안의 진화를 고려하여 임계 밀도에 대한 블랙홀 에너지 밀도를 계산하고, $\Omega_{\rm bh}(t_0) \approx 2\times10^{-8}p_{\rm bh}f_*$로 표현하기.
• 예측된 $\Omega_{\rm bh}(t_0)$를 마이크로렌즈 제약 조건($\Omega_{\rm bh}(t_0) \lesssim 0.01$)과 비교하고 어두운 물질에 대한 함의를 고려하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 아키온 끈-월 네트워크에서 유래한 도메인 월 조각이 약 $10^{-8}\,M_\odot$ 정도의 질량을 가진 블랙홀로 붕괴될 수 있는가?
• RQ2 각운동량 제약 조건을 고려할 때, 붕괴하는 도메인 월에서 블랙홀 형성 확률 $p_{\rm bh}$는 얼마인가?
• RQ3 이 블랙홀들은 임계 밀도의 어느 정도 비율을 차지할 수 있으며, 천체역학적 제약과 마이크로렌즈 제약과 일치하는가?
• RQ4 도메인 월 막의 초깃면적 분포에 따라 블랙홀 질량 스펙트럼은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이 메커니즘은 다른 매개변수를 가진 보다 일반적인 아키온 유사 입자 모델에서도 타당한가?

주요 결과

• 달질량 블랙홀($M_{\rm bh} \sim 10^{-8}\,M_\odot$)은 QCD 아키온 시나리오에서 도메인 월 조각의 붕괴로부터 형성될 수 있다.
• 독립된 각운동량 성분을 가정할 경우 블랙홀 형성 확률는 약 $p_{\rm bh} \sim 10^{-7}$로 추정되며, 이에 따라 $\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 10^{-7}f_*$가 된다.
• 상관된 각운동량을 고려한 보다 현실적인 추정에서는 $p_{\rm bh} \sim 2\times10^{-3}$로 도출되어 $\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 4\times10^{-3}f_*$가 된다.
• 도출된 에너지 밀도 $\Omega_{\rm bh}(t_0)$는 1보다 훨씬 작으며, 마이크로렌즈 제약 조건($\Omega_{\rm bh}(t_0) \lesssim 0.01$)을 위반하지 않는다.
• 만약 $\Omega_{\rm bh}(t_0) \sim 0.01$라면, 이러한 블랙홀은 공명적인 아키온 어두운 물질과 함께 어두운 물질의 주요 구성 요소가 될 수 있다.
• 블랙홀 질량 스펙트럼은 지수적으로 억제될 것으로 예상되며, 초깃면적 분포의 영향으로 가벼운 블랙홀들만이 관련성이 있다.