[논문 리뷰] Primordial Black-Hole and Macroscopic Dark-Matter Constraints with LISA

Florian Kühnel, Glenn D. Starkman외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LISA 우주 기반 중력파 관측소를 사용하여 원시 블랙홀과 매크로 스케일 다크 매터 후보가 수성수성자리 A*(Sagittarius A*)로 붕괴하면서 발생하는 중력파의 탐지 가능성에 대해 연구한다. 연구 결과, 이러한 천체가 다크 매터의 상당한 비율을 차지할 경우 LISA는 이러한 소스에서 기인하는 스토하스틱 배경을 탐지할 수 있으며, 질량이 약 ~8.3×10⁻²¹ M☉까지 낮아질 수 있을 정도로 민감도를 확보한다. 특히 핵 밀도를 가진 매크로의 경우, 2×10²⁰ g에서 4×10²⁴ g 사이의 아직 다른 방법으로는 검증되지 않은 질량 창을 효과적으로 탐사할 수 있다.

ABSTRACT

The detectability of gravitational waves originating from primordial black holes or other large macroscopic dark-matter candidates inspiraling into Sagittarius ${ m A}^{\!*}$ is investigated. It is shown that LISA should be a formidable machine to detect the stochastic signal from the accumulated collection of such objects that have been gravitationally captured by Sgr$\,{ m A}^{\!*}$, provided they have masses above $\sim 10^{-20}\,M_{\odot}$. This is especially so, if they are the main component of the dark matter, and the dark-matter density at Sagittarius ${ m A}^{\!*}$ exceeds its value in the solar-neighborhood. Notably, the window of mass that is unconstrained by various gravitational lensing arguments and observations, $2 imes 10^{20}\,{ m g} \leq m_{ m DM} \leq 4 imes 10^{24}\,{ m g}$, will be accessible. Forecasts are derived for the event rates and signal strengths as a function of dark-matter mass, assuming that the dark-matter candidates are not tidally disrupted during the inspiral. This is certainly the case for primordial black holes, and it shown that it is also very likely the case for candidate objects of nuclear density.

연구 동기 및 목표

• 수성수성자리 A*로 붕괴하는 원시 블랙홀과 매크로 스케일 다크 매터 후보에서 발생하는 중력파 신호의 탐지 가능성 평가
• LISA가 다양한 다크 매터 질량 범위에서 이러한 신호에 대해 가지는 민감도 규명
• 현재 관측 제약이 약하거나 존재하지 않는 질량 창, 특히 2×10²⁰ g에서 4×10²⁴ g 사이의 창을 특정
• 초거대 블랙홀로 붕괴하는 동안 다양한 다크 매터 후보의 tidal disruption 위험 평가
• 다크 매터 질량과 지역 밀도에 따라 LISA의 사건 빈도 및 신호 강도 예측

제안 방법

• 연구는 수성수성자리 A*에 포획된 매크로 스케일 다크 매터 물체의 집합적 붕괴에서 발생하는 스토하스틱 중력파 배경을 모델링한다.
• 극단적으로 질량 비율이 큰 붕괴(EMRIs)에서의 에너지 손실률을 기반으로 중력파 신호의 특성 스트레인 진폭을 유도한다. 이때 파손 없이 붕괴가 이루어지는 것을 가정한다.
• 기대 신호 강도와 사건 빈도를 계산하기 위해 다크 매터 밀도 프로파일과 속도 분산(맥스웰 분포로 모델링)을 분석에 통합한다.
• 다양한 다크 매터 비율과 속도 분산에 대해 최소 탐지 가능한 다크 매터 질량을 결정하기 위해 신호 대 잡음비 기준을 적용한다.
• tidal disruption 한계는 슈바르츠실트 반경에서의 tidal 가속도를 매크로 물체의 자체 중력과 비교하여 평가한다.
• 닫힌 형태의 식을 사용하여 하한 질량 임계값을 유도하며, 이는 다크 매터 밀도, 속도 분산, LISA의 통합 시간를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LISA는 수성수성자리 A*에 포획된 원시 블랙홀이나 매크로 스케일 다크 매터 후보에서 기인하는 스토하스틱 중력파 배경을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LISA의 민감도와 통합 시간를 고려할 때, 최소로 탐지 가능한 다크 매터 질량은 얼마인가?
• RQ3 매크로가 붕괴하는 동안 발생하는 tidal disruption이 중력파 신호의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2×10²⁰ g에서 4×10²⁴ g 사이의 질량 범위에서 다른 방법으로는 효과적으로 탐지하지 못하는 다크 매터 비율을 LISA는 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ5 다크 매터 속도 분산과 지역 밀도의 변화가 스토하스틱 신호의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LISA는 지역 다크 매터 밀도의 상당한 비율을 차지하는 매크로 스케일 다크 매터 후보에서 질량이 약 ~8.3×10⁻²¹ M☉까지의 중력파 신호를 탐지할 수 있다.
• 탐지 가능한 질량 창은 원시 블랙홀 증발 임계값인 약 10¹⁵ g 이하로 확장되며, 이는 LISA가 장수명의 저질량 다크 매터 후보에 민감하게 반응할 수 있음을 의미한다.
• 스토하스틱 배경은 수성수성자리 A*의 다크 매터 밀도가 태양계 근처 값보다 약 10⁴ 배 이상 높을 경우와 속도 분산이 약 100 km/s일 경우 가장 잘 탐지된다.
• 핵 밀도를 가진 매크로는 tidal disruption에 강건하여 전체 중력파 신호가 방출되며, 반면 원자 밀도를 가진 매크로는 사건의 중심에 도달하기 전에 파손될 가능성이 높다.
• 2×10²⁰ g에서 4×10²⁴ g 사이(10⁻¹³ M☉에서 2×10⁻⁹ M☉)의 제약이 없는 질량 창은 LISA를 통해 접근 가능하며, 이는 이와 같은 영역을 탐색하는 고유한 수단이 된다.
• 신호 강도와 사건 빈도는 다크 매터 밀도와 속도 분산에 따라 강하게 증가하며, 높은 값일수록 탐지 가능성 증가