[논문 리뷰] Primordial Black Hole Dark Matter and LIGO/Virgo Merger Rate from Inflation with Running Spectral Indices.

Kazunori Kohri, Takahiro Terada|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 19.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 달라진 스펙트럼 기울기(running spectral index)를 가진 인플레이션 모델을 사용하여 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠성 물질의 기원이자 라이고/비르고 이중 블랙홀 병합 사건의 기원이 될 수 있는지 조사한다. 연구 결과, 복사 지배 시대의 인플레이션에서 기인한 약 10개의 태양질량 PBHs는 달라진 스펙트럼 기울기의 달라진 기울기(β_s ≈ 0.03) 조건에서 관측된 병합률을 설명할 수 있으며, 초기 물질 지배 시대에서 기인한 소행성 크기의 PBHs는 특정한 달라진 기울기 조건 하에서 어둠성 물질의 전부를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

We study possibilities to explain the whole dark matter abundance by primordial black holes (PBHs) or to explain the merger rate of binary black holes estimated from the gravitational wave detections by LIGO/Virgo. We assume that the PBHs are originated in radiation- or matter-dominated era from large primordial curvature perturbation generated by inflation. We take a simple model-independent approach considering inflation with large running spectral indices which are parametrized by $n_ ext{s}, \alpha_ ext{s}$, and $\beta_ ext{s}$ with being satisfying the observational bounds on them. The merger rate is fitted by PBHs with masses of $\mathcal{O}(10)$ $M_{\odot}$ produced in the radiation-dominated era. Then the running of running should be $\beta_ ext{s} \sim 0.03$, which can be tested by future observation. On the other hand, the whole abundance of dark matter is consistent with PBHs with masses of asteroid ($\mathcal{O}(10^{-17})~M_{\odot}$) produced in an early matter-dominated era if a set of running parameters are properly realized.

연구 동기 및 목표

• 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠성 물질의 전체 밀도를 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 인플레이션 기간에 형성된 PBHs가 라이고/비르고가 관측한 이중 블랙홀 병합률을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 인플레이션 모델에서 달라진 스펙트럼 기울기의 역할이 필요한 초기 곡률 편미분을 생성하는 데 어떻게 기여하는지 탐색하는 것.
• 관측 제약 조건 하에서 복사 또는 물질 지배 시대에 PBH 형성에 유리한 매개변수 영역을 규명하는 것.

제안 방법

• 스펙트럼 매개변수 3개인 스칼라 스펙트럼 기울기 $n_s$, 기울기 $\alpha_s$, 기울기의 기울기 $\beta_s$를 가진 모델 독립적 접근법을 사용한다.
• 관측 제약 조건을 적용하여 타당한 인플레이션 모델을 제약한다.
• 복사 지배 또는 물질 지배 시대에 인플레이션 기간 동안 생성된 큰 초기 곡률 편미분에서 PBH 형성을 모델링한다.
• 복사 지배 시대에 형성된 $\mathcal{O}(10)~M_\odot$ 크기의 PBHs를 사용하여 관측된 라이고/비르고 이중 블랙홀 병합률을 맞추는 데 사용한다.
• 초기 물질 지배 시대에 형성된 소행성 크기의 질량($\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$)을 가진 PBHs의 어둠성 물질 기여도를 평가한다.
• 관측된 병합률과 어둠성 물질 제약 조건을 만족시키기 위해 필요한 $\beta_s$ 값의 크기를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간에 형성된 PBHs가 어둠성 물질의 전체 밀도를 설명할 수 있으며, 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ2 약 10개의 태양질량 PBHs가 라이고/비르고가 관측한 이중 블랙홀 병합률을 설명할 수 있는가?
• RQ3 복사 지배 시대에서 라이고/비르고 병합률을 설명하기 위해 필요한 달라진 스펙트럼 기울기 $\beta_s$의 값은 무엇인가?
• RQ4 물질 지배 시대에서 PBHs가 어둠성 물질의 전부를 설명할 수 있도록 하는 $n_s$, $\alpha_s$, $\beta_s$의 조합은 무엇인가?
• RQ5 미래 관측을 통해 $\beta_s \sim 0.03$의 예측값을 어떻게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 복사 지배 시대에 형성된 $\mathcal{O}(10)~M_\odot$ 크기의 PBHs는 달라진 스펙트럼 기울기의 기울기 $\beta_s \sim 0.03$ 조건에서 관측된 라이고/비르고 이중 블랙홀 병합률을 설명할 수 있다.
• 이 값인 $\beta_s \sim 0.03$는 향후 중력파 관측을 통해 검증 가능하다.
• 어둠성 물질의 전체 밀도는 초기 물질 지배 시대에서 형성된 소행성 크기의 질량($\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$)을 가진 PBHs가 인플레이션 매개변수 $n_s$, $\alpha_s$, $\beta_s$가 적절히 조정된 조건에서 어둠성 물질의 전부를 설명할 수 있다.
• 모델 독립적 접근법은 현재의 스펙트럼 기울기 제약 조건과 일관성을 유지한다.
• 결과적으로, 큰 달라진 스펙트럼 기울기를 가진 인플레이션은 PBHs를 통해 병합률과 어둠성 물질 밀도를 동시에 설명할 수 있음을 보여준다.
• 복사 지배 시대와 물질 지배 시대에서의 PBH 형성에 대해 각각 다른 관측 제약 조건과 일치하는 유의미한 매개변수 영역을 식별하였다.