[논문 리뷰] Seven Hints for Primordial Black Hole Dark Matter

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 28.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 약 3 태양질량의 원시 블랙홀(PBHs)이 어둠성 물질의 전부 또는 상당 부분을 차지할 수 있으며, 다양한 천체물리적 관측 결과를 통합할 수 있다고 제안한다. LIGO 병합률과 마이크로렌즈, 은하 역학, 우주배경복사에 기반한 제약 조건을 사용하여, 약 ~3 M☉에서 피크를 이룬 광범위한 PBH 질량 함수를 재구성한다. 이는 기존의 제약 조건을 회피하고 주요 천체론적 난제들을 설명한다.

ABSTRACT

Seven observations point towards the existence of primordial black holes (PBH), constituting the whole or an important fraction of the dark matter in the Universe: the mass and spin of black holes detected by Advanced LIGO/VIRGO, the detection of micro-lensing events of distant quasars and stars in M31, the non-detection of ultra-faint dwarf satellite galaxies with radius below 15 parsecs, evidences for core galactic dark matter profiles, the correlation between X-ray and infrared cosmic backgrounds, and the existence of super-massive black holes very early in the Universe's history. Some of these hints are newly identified and they are all intriguingly compatible with the re-constructed broad PBH mass distribution from LIGO events, peaking on PBH mass $m_{ m PBH} \approx 3 M_\odot$ and passing all other constraints on PBH abundances. PBH dark matter also provides a new mechanism to explain the mass-to-light ratios of dwarf galaxies, including the recent detection of a diffuse galaxy not dominated by dark matter. Finally we conjecture that between 0.1% and 1% of the events detected by LIGO will involve a PBH with a mass below the Chandrasekhar mass, which would unambiguously prove the existence of PBH.

연구 동기 및 목표

• 원시 블랙홀(PBHs)이 어둠성 물질일 것임을 시사하는 다수의 독립적 천체물리 관측 결과를 통합하는 것.
• LIGO 병합률과 현재의 모든 관측 제약 조건과 일치하는 PBH 질량 함수를 재구성하는 것.
• 핵심 천체론적 난제들 — 예를 들어 코어-쿠스 문제, 난이도 높은 왜소 은하의 부족, 고적색도 초거대 블랙홀 — 을 PBH 주도의 어둠성 물질 시나리오로 설명하는 것.
• 앞으로의 관측에서 확인되거나 배제될 수 있는 검증 가능한 예측을 도출하는 것.

제안 방법

• LIGO/Virgo 병합률을 사용하여 PBH 질량 함수를 재구성하고, PBH가 어둠성 물질 전부를 차지한다고 가정하며, 약 ~3 M☉ 중심의 로그노멀 분포를 사용한다.
• 병합률을 다양한 PBH 은하 환경에서 추정하기 위해 주요 군집 스케일(DCS) 및 확장된 헬로 질량 함수(Ext-HMF) 모델을 적용한다.
• 마이크로렌즈(M31, 마젤란 구름 등), X선 및 라디오 배경 복사, CMB 이방이성, 왜소 은하 역학 등을 재평가하여 광범위한 PBH 질량 스펙트럼과의 일관성을 시험한다.
• 기본 물리 원리에 기반한 주장으로, 이전에 배제된 바가 있었음에도 불구하고 1–10 M☉ 범위의 PBH가 여전히 타당하다는 것을 보여준다.
• 고적색도 은하의 회전곡선(z=0.9–2.4)을 분석하여 계층적 응집을 통한 PBH 군집화와 은하 헬로 성장을 추론한다.
• LIGO 사건의 0.1–1%가 찬드라세카 질량 이하의 PBH를 포함할 수 있으며, 이것이 확인되면 명백한 검증이 될 것이라 추측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO 병합률에서 재구성된 광범위한 PBH 질량 함수가 기존의 모든 천체물리적 및 천체론적 제약 조건과 일치하는가?
• RQ2 블랙홀 병합의 관측된 성질, 마이크로렌즈 사건, 은하의 회전곡선이 함께 PBH 기원의 어둠성 물질을 지지하는가?
• RQ3 PBH가 은하에서 관측된 코어 유사 어둠성 물질 프로파일과 15 pc 이하의 초저조 왜소 왜소 은하의 부재를 설명할 수 있는가?
• RQ4 PBH가 조기 초거대 블랙홀을 형성하는 데 기여하고, z≈17에서 관측된 21cm 신호를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘이 존재하는가?
• RQ5 LIGO 사건 중 PBH가 찬드라세카 질량 이하일 비율은 얼마이며, 이것이 어둠성 물질의 PBH 기원을 확정적으로 검증하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 약 3 M☉에서 피크를 이룬 재구성된 PBH 질량 함수는 관측된 LIGO 병합률과 일치하며, PBH 밀도의 允許 범위 내에 있다.
• 개선된 물리 모델링을 통해 재평가했을 때, 마이크로렌즈 및 X선 배경으로부터의 이전 제약 조건에도 불구하고 1–10 M☉ 범위의 광범위한 PBH 질량 분포는 여전히 타당하다.
• PBH-DM 시나리오는 은하에서 관측된 코어 유사 어둠성 물질 프로파일과 15 pc 이하의 초저조 왜소 왜소 은하 부재를 자연스럽게 설명한다.
• 고적색도 은하의 붕괴하는 회전곡선(z=0.9–2.4)은 PBH가 헬로 내에서 군집화되어 계층적 응집을 통해 성장하며 더 두꺼운 헬로를 형성함을 시사한다.
• 은하 중심부 또는 LMC 기원의 고속도 별의 탐지가 원시 중간질량 블랙홀 또는 PBH 이중성으로 설명될 수 있으며, 이는 PBH 군집화를 지지한다.
• 논문은 LIGO 사건의 0.1%에서 1% 사이가 찬드라세카 질량 이하의 PBH를 포함할 것으로 추측하며, 이것이 PBH 어둠성 물질 기원에 대한 명백한 증거가 될 것이다.