[논문 리뷰] Primordial Black Holes from Non-Equilibrium Second Order Phase Transition

S. G. Rubin, Maxim Khlopov외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 26.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 46

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서 비평형 제2종 상전이 동안 생성된 크고 닫힌 도메인 벽이 중력적으로 붕괴함으로써 거대한 원시 블랙홀(PBHs)이 형성될 수 있다고 제안한다. 이 메커니즘은 효과적으로 질량이 없는 스칼라 장의 인플레이션 유도 변동에 기반하며, 고에너지 밀도를 가진 준안정 상태의 진공 영역을 생성한다; 이러한 벽이 붕괴할 경우, 약 ~10^36 g까지의 PBHs가 형성될 수 있으며, 은하 중심의 초거대 블랙홀 씨앗을 설명하는 데 기여할 수 있다.

ABSTRACT

The collapse of sufficiently large closed domain wall produced during second order phase transition in the vacuum state of a scalar field can lead to the formation of black hole. The origin of domain walls with appropriate size and energy density could be a result of evolution of an effectively massless scalar field at the inflational epoch. We demonstrate that in this case the situation is valued when there are compact domains of less favorable vacuum surrounded by a sea of another vacuum. Each domain has a surface composed of vacuum wall that stores a significant amount of energy, and can collapse into the black hole. This offers the way of massive primordial black holes formation in the early Universe.

연구 동기 및 목표

• 표준 밀도 변동 모델 외의 새로운 메커니즘을 통해 거대한 원시 블랙홀(PBH) 형성을 탐색하기 위해.
• 제2종 상전이 동안 비평형 조건이 큰 안정성 있는 도메인 벽을 형성할 수 있는 방법을 조사하기 위해.
• 이러한 도메인 벽이 충분히 질량이 많고 밀도가 높을 경우 표면 장력으로 인해 붕괴되어 PBHs로 전환될 수 있음을 입증하기 위해.
• 결과적으로 형성된 PBH 질량 스펙트럼을 평가하고, 핵합성 및 우주 마이크로파 배경 불균일성 제약 조건과의 일관성을 점검하기 위해.

제안 방법

• 동일한 진공 상태를 가진 허구의 나무-골드스톤(PNG) 포텐셜을 사용하여 상전이를 모델링함으로써 도메인 벽 형성을 가능하게 한다.
• 효과적으로 평탄한 스칼라 장 방향을 따라 인플레이션 동안 de Sitter 변동을 도입함으로써 비평형 역학을 구현하고, 상관 길이를 재정의한다.
• 상전이 이후의 닫힌 도메인 벽의 진화를 시뮬레이션하며, 표면 장력과 중력 붕괴로 인한 수축에 집중한다.
• 벽의 에너지 밀도가 중력 반지름 내에 집중되어야 한다는 조건을 사용하여 PBH 형성 기준을 결정한다.
• 벽의 표면 장력과 진공 에너지 밀도 등의 다양한 매개변수 조합에 대해 PBH 질량 스펙트럼을 수치적으로 평가한다.
• 비평형 핵합성(예: ³He, ⁷Li)과 CMB 불균일성 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 기간 동안 비평형 스칼라 장 역학이 중력 붕괴를 통해 PBHs로 이어질 수 있는 큰 안정성 있는 도메인 벽을 형성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 도메인 벽이 스칼라 파동으로 에너지를 방출하는 대신 블랙홀로 붕괴하기 위해 충족해야 할 조건은 무엇인가?
• RQ3 붕괴하는 도메인 벽으로부터 형성된 PBH의 질량 스펙트럼은 무엇이며, 스칼라 포텐셜 매개변수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 예측된 PBH 집단이 원시 핵합성 및 CMB 불균일성 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 이 메커니즘이 은하 중심의 초거대 블랙홀 씨앗 기원을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 인플레이션 기간 동안의 비평형 역학은 고에너지 밀도를 가진 준안정 상태의 도메인 벽을 생성할 수 있으며, 이는 중력 붕괴를 통해 PBH 형성에 기여한다.
• 모델은 약 ~10^36 g(로그₁₀(M/M☉) ≈ 36.4)까지의 PBH 질량을 예측하며, 이는 열적 상전이에서 유래한 일반적인 PBH 질량보다 크게 초월한다.
• Λ = 1 GeV 규모와 θₙₘₐₓ = 0.8일 경우, 약 10^17.4개의 PBH가 질량 약 10^28.3 g으로 형성되며, 질량이 높아질수록 수가 감소한다.
• PBH 질량 스펙트럼은 엔트로피 생산 한계와 비평형 핵합성 제약 조건을 충족하며, α₃He < 10⁻¹⁵Ωb(MPBH/1g.)k⁻¹ 및 αLi < 10⁻¹⁹Ωb(MPBH/1g.)⁵/⁴k⁻¹이다.
• 이 모델은 은하 중심의 초거대 블랙홀 씨앗을 형성할 수 있는 타당한 메커니즘을 제공하며, 특히 계층적 응집을 통해 가능성이 높다.
• 강한 소산이 없는 조건에서는 일관된 장 진동이 등온 곡률 불균일성을 유도할 수 있지만, 이는 CMB 불균일성 관측 결과에 의해 제약을 받으며 모델 매개변수를 제한한다.