[논문 리뷰] Stochastic induced gravitational waves and lowest mass limit of primordial black holes with the effects of reheating

Nilanjandev Bhaumik, Rajeev Kumar Jain|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 23.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 짝수차 다항형 포텐셜을 가진 단일장 인플레이션 모형에서 기원한 원시 블랙홀(PBHs)에 의해 생성되는 확률적 중력파(GW) 배경을 조사하며, 스칼라 곡률 불안정성으로 인한 제2차 GW가 향후 우주기반 임무인 LISA와 DECIGO에 의해 탐지 가능할 수 있음을 보여준다. 또한 모형에 의존하지 않는 PBH의 하한 질량을 설정하고, 비순간적인 재가열 효과로 인해 GW 스펙트럼이 고주파수로 이동함을 밝히며, 오늘날 완전히 증발한 가벼운 PBH들도 Advanced LIGO에 의해 탐지 가능한 GW 신호를 생성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Recently, we have studied the abundance of primordial black holes (PBH) produced in a single field inflationary model with a polynomial potential containing even powers up to the sextic order which allows the existence of an inflection point in the inflaton potential. We found that such a scenario can produce PBHs in a wide range of masses with a nearly monochromatic mass fraction which can account for the total dark matter of the universe in the asteroid mass window. In this paper, we study the stochastic background of gravitational waves (GW) which is inevitably generated in this scenario due to the second order effects caused by large primordial scalar curvature perturbations at the PBHs scales. We find that the resulting secondary background of GWs could be potentially detected by the future space based GWs observatories such as LISA, TAIJI, DECIGO or BBO. Using a model independent approach, we also obtain a lower limit on the PBHs mass by only assuming an instantaneous and a smooth transition from the ultra slow roll to the slow roll phase. Further, we investigate the effects of reheating on the secondary GWs spectrum and find that an epoch of a non-instantaneous reheating can cause a shift in the GWs spectrum to larger frequencies. Interestingly, in this scenario, we also notice that very light PBHs which may completely evaporate by today and would not contribute to the dark matter at all, will still generate a stochastic background of secondary GWs that may be detected by a future design of the ground based Advanced LIGO detector.

연구 동기 및 목표

• 짝수차 다항형 포텐셜을 가진 단일장 인플레이션 모형에서 원시 블랙홀(PBHs)이 생성하는 확률적 중력파(GW) 배경을 조사하는 것.
• PBH 형성 스케일에서 큰 원시 스칼라 곡률 불안정성으로 인한 제2차 중력파의 탐지 가능성 평가.
• 초기 인플레이션의 초저속주행에서 느린주행으로의 전이 동역학을 기반으로 한 모형에 의존하지 않는 PBH의 하한 질량 한계 유도.
• 비순간적인 재가열 효과가 중력파 스펙트럼, 특히 주파수 분포에 미치는 영향 분석.

제안 방법

• PBH 형성에 적합한 고리듬점이 존재하도록 6차까지의 짝수차 항을 포함한 인플라톤 포텐셜 모델링.
• PBH 형성 스케일에서 큰 원시 스칼라 곡률 불안정성으로 인해 생성된 제2차 중력파 배경 계산.
• 초기 인플레이션의 초저속주행에서 느린주행으로의 전이 동역학만을 이용해 모형에 의존하지 않는 PBH 하한 질량 한계 유도.
• 비순간적인 재가열 효과를 중력파 스펙트럼에 통합하여, 에너지 밀도 진화의 변화로 인한 주파수 이동 분석.
• 결과로 도출된 중력파 스펙트럼을 LISA, TAIJI, DECIGO, BBO, Advanced LIGO와 같은 향후 관측기 민감도 곡선과 비교.
• 오늘날 완전히 증발한 PBH에서 기인하는 중력파 신호의 탐지 가능성 평가, 주로 지상 기반 탐지기 민감도에 초점.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 우주기반 관측기인 LISA나 DECIGO와 같은 기구에서 원시 블랙홀에 기인한 제2차 확률적 중력파 배경을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 초기 인플레이션의 초저속주행에서 느린주행으로의 전이 동역학만을 이용해 제약을 받는 원시 블랙홀의 최소 질량은 얼마인가?
• RQ3 비순간적인 재가열은 제2차 중력파 스펙트럼의 주파수 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 오늘날 완전히 증발한 PBH에서 기인하는 중력파 신호는 현재 또는 근래의 지상 기반 탐지기로도 탐지 가능한가?
• RQ5 이 인플레이션 시나리오에서 큰 원시 스칼라 곡률 불안정성은 어떻게 확률적 중력파 배경을 생성하는가?

주요 결과

• 원시 블랙홀에 기인한 제2차 확률적 중력파 배경은 향후 우주기반 관측기인 LISA, TAIJI, DECIGO, BBO에 의해 탐지 가능할 수 있다.
• 초기 인플레이션의 초저속주행에서 느린주행으로의 전이 동역학만을 기반으로 한 모형에 의존하지 않는 원시 블랙홀의 하한 질량 한계가 도출되었다.
• 비순간적인 재가열은 중력파 스펙트럼을 고주파수 쪽으로 측정 가능한 정도로 이동시킨다.
• 오늘날 완전히 증발한 원시 블랙홀들조차도 향후 Advanced LIGO 설계에 의해 탐지 가능한 확률적 중력파 배경을 생성할 수 있다.
• 이 시나리오는 소행성 질량 창 내에서 거의 단일 주파수의 질량 분포를 가진 PBH의 비율을 허용하며, 전체 암흑물질 밀도와 일치한다.