[논문 리뷰] Primordial black holes from cusp collapse on cosmic strings

A. C. Jenkins, Mairi Sakellariadou|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 29.

Black Holes and Theoretical Physics참고 문헌 121인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 우주 끈의 고리에서 발생하는 코브가 '호 추측'을 통해 필연적으로 초기 블랙홀(PBH)로 붕괴된다는 것을 제안한다. 이는 이전의 정밀하게 조정된 원형 고리에 의존하는 모델보다 훨씬 일반적인 메커니즘이다. 결과적으로 형성된 PBH는 매우 높은 스핀(χ ≈ 2/3), 초광속으로 이동하는 속도를 가지며, 끈 이론의 '명백한 증거'가 되어 PBH 형성률을 크게 증가시키고, 끈의 밀도 Gμ에 대한 제약 조건을 재검토하게 된다.

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) are of fundamental interest in cosmology and astrophysics, and have received much attention as a dark matter candidate and as a potential source of gravitational waves. One possible PBH formation mechanism is the gravitational collapse of cosmic strings. Thus far, the entirety of the literature on PBH production from cosmic strings has focused on the collapse of (quasi)circular cosmic string loops, which make up only a tiny fraction of the cosmic loop population. We demonstrate here a novel PBH formation mechanism: the collapse of a small segment of cosmic string in the neighbourhood of a cusp. Using the hoop conjecture, we show that collapse is inevitable whenever a cusp appears on a macroscopically-large loop, forming a PBH whose rest mass is smaller than the mass of the loop by a factor of the dimensionless string tension squared, $(Gμ)^2$. Since cusps are generic features of cosmic string loops, and do not rely on finely-tuned loop configurations like circular collapse, this implies that cosmic strings produce PBHs in far greater numbers than has previously been recognised. The resulting PBHs are highly spinning and boosted to ultrarelativistic velocities; they populate a unique region of the BH mass-spin parameter space, and are therefore a "smoking gun" observational signature of cosmic strings. We derive new constraints on $Gμ$ from the evaporation of cusp-collapse PBHs, and update existing constraints on $Gμ$ from gravitational-wave searches.

연구 동기 및 목표

• 이전의 희귀한(또는 거의) 원형 고리에 의존하는 모델의 한계를 극복하기 위해, 우주 끈에서 초기 블랙홀(PBH) 형성에 대해 일반적이고 정밀 조정이 필요하지 않은 메커니즘을 규명하는 것.
• 우주 끈 고리의 곳곳에 존재하는 코브가 '호 추측'을 통해 필연적으로 PBH 형성을 유도함을 보여주어, 예측된 PBH의 수확량을 크게 증가시키는 것.
• 코브 붕괴로 형성된 PBH의 물리적 성질(질량, 스핀, 속도)을 특성화하고, 중력파 및 우주 마이크로파 배경 불균일성에서의 관측 가능 신호를 평가하는 것.
• 새로운 형성 메커니즘을 고려하여, PBH 증발과 중력파 배경(SGWB) 신호를 통해 기존의 Gμ에 대한 제약 조건을 갱신하는 것.

제안 방법

• 우주 끈 고리에 대해 호 추측를 적용하여, 충분히 높은 속도와 밀도를 가지는 끈의 局부가 블랙홀로 붕괴되는 조건을 유도한다.
• 평탄한 시공간에서의 우주 끈 고리의 나무부-고토 운동 방정식을 사용하여, 끈 세그먼트가 상대론적 속도에 도달하는 코브 근처의 역학을 모델링한다.
• 형성된 PBH의 질량을 M_PBH ≈ (Gμ)^2 × M_loop로 추정하여, 이는 고리 질량보다 (Gμ)^2 배만큼 작아진다는 것을 보여준다.
• 포착된 끈 세그먼트의 각운동량을 계산하여 PBH의 스핀을 결정하며, 이는 고리의 크기나 Gμ에 관계없이 χ = 2/3임을 발견한다.
• 코브 붕괴에서 발생하는 중력파 방출을 모델링하여, 절단 효과와 리드다운을 포함한 스펙트럼을 예측하고, 잡음이 있는 중력파 배경(SGWB) 스펙트럼을 유도한다.
• CMB 불균일성 감쇠와 LIGO/Virgo, 그리고 PTA의 SGWB 신호를 조합하여 PBH 증발 제약 조건을 기반으로 Gμ에 대한 갱신된 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코브가 끈 고리의 형태나 조정에 관계없이 '호 추측'을 통해 초기 블랙홀 형성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 코브 붕괴로 형성된 PBH의 질량, 스핀, 속도 분포는 다른 메커니즘으로 형성된 PBH와 어떻게 다를까?
• RQ3 코브 붕괴 PBH를 고려할 경우, CMB 및 중력파 데이터로부터 기존의 우주 끈 밀도 Gμ 제약 조건은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 코브 붕괴 PBH에서 기대되는 중력파 신호는 표준 코브 웨이브폼과 어떻게 다를까?
• RQ5 코브 붕괴 PBH의 고유한 스핀과 운동 성질은 끈 이론의 '명백한 증거'로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• 코브 붕괴는 우주 끈 고리에서 필연적으로 초기 블랙홀(PBH)을 형성하며, 이는 고리의 진화에서 일반적인 특성으로, 희귀한 사건이 아니다.
• 형성된 PBH의 질량은 부모 고리의 질량보다 (Gμ)^2 배 작으며, 정지 질량는 M_PBH ≈ (Gμ)^2 × M_loop로 주어진다.
• 모든 코브 붕괴 PBH는 매우 높은 스핀을 가지며, 차원 없는 스핀 매개변수 χ = 2/3를 가지며, 극한의 킬 블랙홀에 가까운 상태이다.
• PBH는 초광속으로 이동하며, 빛의 속도에 가까운 속도를 가지며, 다른 PBH 집단과 구별된다.
• 코브 붕괴에서 발생하는 중력파 신호는 절단되고 수정되어, 표준 코브 웨이브폼 대비 저주파수 SGWB의 진폭이 1/4로 감소한다.
• PBH 증발과 SGWB 신호를 고려한 Gμ에 대한 갱신된 제약 조건은 일부 주파수 대역에서 최대 한 단계 정도 느슨해지지만, LISA와 LIGO의 모델 3에 해당하는 작은 Gμ 값에 대해서는 여전히 엄격하다.