[논문 리뷰] Revisiting Primordial Black Holes Constraints from Ionization History

Benjamin Horowitz|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 우주 마이크파원형복사(CMB) 데이터를 활용하여 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠침료 물질 후보로서의 제약 조건을 재검토한다. 특히 응축에 의한 이온화 역학적 영향을 중심으로 다룬다. 연구 결과, 30 M☉ 정도의 PBHs는 초음속 스트리밍로 인해 응축 효율이 떨어지며, 이는 이전 연구에서 간과된 요소임에도 불구하고, 어둠침료 물질의 10%를 초과할 수 없다는 것이 밝혀졌다.

ABSTRACT

Much attention has been drawn to the recent discoveries by the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) of merging intermediate mass black holes. Of particular interest is the possibility that the merger events detected could be evidence of dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). It has been argued that the presence of many black holes would effect the thermal and ionization history of the universe via their accretion of matter which would have strong signatures in the Cosmic Microwave Background's (CMB) power spectra evident in the damping of anisotropies and change in low-$l$ polarization power. In general the accretion is quite sensitive to the specific physics involved and the conditions of the early universe. In this work, we take a minimal approach and find constraints on PBHs not including the model dependent effects of nonlinear structure of formation or transition between different accretion models which would work to increase the effect. In addition, we include the relative velocity between dark matter and baryonic matter including the effects of supersonic streaming at high redshift which work to significantly reduce the constraining power. We also examine the constraints on more astrophysically-motivated extended black hole mass functions and discuss how mergers might effect this distribution. We find constraints on PBHs in the range $ \approx 30 M_\odot$, finding that they could not compose more than $10\%$ of the total dark matter content.

연구 동기 및 목표

• 모델 의존적인 응축 물리학에 의존하지 않고, CMB 내 이온화 역학적 영향을 통해 초기 블랙홀(PBHs)이 어둠침료 물질로서의 제약 조건을 재평가하는 것.
• 고적색도에서 어둠침료 물질과 이온가스 간 상대 속도로 인한 초음속 스트리밍이 응축 효율을 저하시켜 제약 조건을 약화시키는 영향을 평가하는 것.
• 단일 질량 분포가 아닌 천체물리학적으로 타당한 확장된 PBH 질량 함수를 고려하여 제약 조건을 검토하는 것.
• 초기 PBH 인구의 진화 과정에서 병합이 LIGO 질량 범위로 이르는 데 기여하는지를 평가하는 것.
• 비선형 구조 형성이나 복잡한 피드백 모델에 대한 가정 없이, 현재 CMB 데이터를 기반으로 보수적인 최소 모델 제약 조건을 제시하는 것.

제안 방법

• 비선형 구조 형성 효과를 피하기 위해, 간섭계 에너지 방출이 열악한 간성간 매질(IGM)에 영향을 주지 않는 최소 응축 모델을 기반으로 한 볼드리 응축 모델을 사용한다.
• 고적색도에서 어둠침료 물질과 이온가스 간 상대 속도를 고려하여, 초음속 스트리밍을 모델링하여 응축 효율을 감소시킨다.
• 어둠침료 물질 붕괴/붕괴 연구에서 최신로 다뤄진 처리 방식을 적용해, IGM 내 이온화 분율 변화를 계산하기 위한 수정된 에너지 방출 모델을 적용한다.
• CMB 스펙트럼 변화, 특히 비균일성의 감쇠 및 저ℓ 편광 변화를 계산하여 제약 조건을 유도한다.
• 플랑크 CMB 데이터를 기반으로 피셔 행렬 분석을 수행하여, PBH 밀도에 대한 95% 신뢰구간 상한선(95% C.L.)을 유도한다.
• 단일 질량 분포와 확장된 질량 함수를 모두 고려하며, 후자는 천체물리학적 형성 메커니즘에 기반한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMB 제약 조건은 30 M☉ 초기 블랙홀이 주요 어둠침료 물질 성분일 수 있는지를 어느 정도 배제하는가?
• RQ2 고적색도에서 어둠침료 물질과 이온가스 간의 초음속 스트리밍은 응축 효율과 CMB 기반 PBH 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 질량 분포가 아닌 확장된 질량 함수를 고려할 경우, PBH에 대한 제약 조건은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 응축 또는 병합을 통해 초기 이중 PBH가 LIGO 질량 범위로 진화하여 탐지 가능한 병합 인구로 이르는가?
• RQ5 현재 CMB 측정치는 마이크로렌즈, 소형은하 가열 등 다른 탐지 방법과 비교해 PBH를 제약하는 데 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• CMB의 이온화 역학적 영향을 기반으로, 30 M☉ 근처의 PBHs는 전체 어둠침료 물질의 10%를 초과할 수 없다.
• 초음속 스트리밍은 응축 효율을 크게 감소시켜, 이전 연구에서 이 요소를 간과한 결과보다 제약 조건을 약화시킨다.
• 30 M☉ PBHs에 대한 CMB 제약 조건 f_pbh ≤ 0.09는 마이크로렌즈(f_pbh ≈ 0.5) 및 소형은하 가열(f_pbh ≈ 0.2) 제약 조건과 일치하지만, 더 엄격하다.
• 비선형 구조 형성 또는 강력한 피드백을 고려할 경우 제약 조건는 더욱 강화되지만, 현재 보수적인 모델조차도 주요 PBH 인구의 존재를 배제한다.
• 우주 시간에 걸친 응축은 무시할 만큼 작다—재결합 시점에서 오늘날까지 PBHs는 약 10⁻⁸ M☉만을 더한다—따라서 상당한 성장은 불가능하다.
• PBH의 병합 빈도는 매우 낮다(1000 Gpc⁻³ yr⁻¹ 이하)로, 초기 이중 PBH가 병합만으로 LIGO 질량 범위에 도달하는 것은 현실적으로 불가능하다.