[논문 리뷰] The hunt for sub-solar primordial black holes in low mass ratio binaries is open

K. S. Phukon, G. Baltus외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 24.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 LIGO/Virgo O2 데이터를 사용하여 질량 비율이 낮은 이원성에서 태양질량 이하의 초기 블랙홀(PBH) 병합을 확장하여 탐색한다. 이는 한 성분이 1 M⊙ 이하이고 주성분이 2 M⊙ 이상인 시스템을 중심으로 한다. 낮은 가짜 경고 비율을 보인 네 건의 후보 사건을 식별했지만 통계적으로 유의미한 검출은 이루어지지 않았다. 그러나 null 결과로부터 유도된 유효한 유효률 한계는 질량 함수에 QCD 전이에 의해 유도된 피크가 약 2–3 M⊙에 존재하는 모델에서 PBH가 어두운 물질의 100%를 차지할 수 있음을 허용한다.

ABSTRACT

We perform a search for binary black hole mergers with one subsolar mass black hole and a primary component above $2 M_\odot$ in the second observing run of LIGO/Virgo. Our analysis therefore extends previous searches into a mass region motivated by the presence of a peak in any broad mass distribution of primordial black holes (PBHs) around $[2-3] M_\odot$ coming from the equation of state reduction at the QCD transition. Four candidate events are found passing a false alarm rate (FAR) threshold of 2 per year, although none are statistically significant enough for being clear detections. We first derive model independent limits on the PBH merging rates assuming a null result of the search. Then we confront them to two recent scenarios in which PBHs can constitute up to the totality of the Dark Matter, explain LIGO/Virgo mergers and the possible observation of a stochastic gravitational-wave background by NANOGrav. We find that these models still pass the rate limits and conclude that the analysis of the O3 and O4 observing runs will be decisive to test the hypothesis of a primordial origin of black hole mergers.

연구 동기 및 목표

• 질량 비율이 낮은 이원성에서 주성분 질량이 2 M⊙ 초과인 태양질량 이하의 초기 블랙홀(PBH) 존재 여부를 조사한다.
• 이전의 LIGO/Virgo 탐색을 2 M⊙ 이론을 넘어서, 약 2–3 M⊙에서 QCD 전이에 의해 유도된 PBH 질량 함수의 피크를 탐색한다.
• 어두운 물질을 설명하고 LIGO/Virgo 병합 관측(예: GW190521 및 GW190814)을 동시에 설명할 수 있는 PBH 모델의 타당성을 평가한다.
• PBH 시나리오를 테스트하기 위해 태양질량 이하에서 태양질량 범위에 이르기까지 모델에 의존하지 않는 병합 유효률 한계를 유도한다.
• N-body 시뮬레이션을 통한 초기 이원성에서의 유효률 억제를 고려하여 모순되는 PBH 밀도 한계를 조율한다.

제안 방법

• Advanced LIGO와 Virgo의 O2 데이터를 사용하여, 한 성분이 0.1–1 M⊙ 범위이고 다른 성분이 2–10 M⊙ 범위인 이원 블랙홀 병합을 위한 통합 탐색을 수행한다.
• 저질량 비율 시스템(q < 0.5)과 태양질량 이하의 보조 질량에 맞춘 템플릿 백을 사용한 일치 필터링 기법을 적용한다.
• 후보 사건을 식별하기 위해 연간 2회 이하의 가짜 경고 비율(FAR) 임계값을 설정하고, 단일 검출기 트리거를 통한 추가 검증을 실시한다.
• 집단 형성 유효률과 억제 요인의 불확실성을 고려하여, 90% 신뢰 수준에서 PBH 병합 유효률에 대한 모델에 의존하지 않는 상한선을 유도한다.
• 이러한 한계를 두 가지 모델의 이론적 PBH 병합 유효률 예측과 비교한다: 하나는 약 2–3 M⊙에서 QCD에 의해 유도된 피크가 있는 모델이고, 다른 하나는 넓은 질량 함수가 있는 모델이다.
• 이전 O2 한계(Abbott et al. 2019b)를 재분석하여, N-body 시뮬레이션에서의 초기 이원성 억제를 포함한 업데이트된 유효률 규정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO/Virgo O2 데이터에서 질량 비율이 낮은 이원성에서 태양질량 이하의 초기 블랙홀을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 LIGO/Virgo 블랙홀 병합 관측 유효률이 QCD에 의해 유도된 약 2–3 M⊙ 피크를 가진 초기 기원을 지닌 것으로 지원되는가?
• RQ3 초기 형성 이원성에서의 유효률 억제를 고려할 때 현재의 PBH 밀도 한계는 탄탄한가?
• RQ4 어두운 물질과 NANOGrav의 스테이티스티컬 배경을 설명하는 PBH 모델은 O2 데이터를 고려할 때 여전히 타당한가?
• RQ5 O3 및 O4 관측 런은 태양질량 이하의 PBH에 대해 어떤 감도를 보일 것이며, 블랙홀 병합의 초기 기원 가설을 결정적으로 테스트할 수 있는가?

주요 결과

• 총 신호 대 잡음비가 8 초과이고 가짜 경고 비율이 연간 2회 이하인 네 건의 후보 사건이 식별되었지만, 통계적으로 검출에 유의미한 결과는 도출되지 않았다.
• 0.1–1 M⊙ 및 2–10 M⊙ 질량 범위에서 모델에 의존하지 않는 PBH 병합 유효률 상한선이 확립되었으며, 이는 이전 제약 조건을 2 M⊙를 초과하여 확장한다.
• null 결과에도 불구하고, 초기 이원성 및 후기 이원성 시나리오 모두에서 f_PBH = 1(즉, PBH가 유일한 어두운 물질 구성 요소임)을 허용하는 유효률 한계가 도출되었다.
• O2 데이터 재분석 결과, 이전 한계(Abbott et al. 2019b)는 N-body 유효률 억제를 생략하여 지나치게 엄격한 것으로 밝혀졌으며, 이를 포함하면 훨씬 더 약한 제약 조건이 된다.
• O3 및 O4 관측 런은 태양질량 이하의 PBH 존재 여부에 따라 블랙홀 병합의 초기 기원 가설을 결정적으로 테스트할 것으로 예상된다.
• 다수의 낮은 유의성 후보 사건 존재는 태양질량 이하의 PBH 인구 존재 가능성을 암시하며, 더 긴, 더 민감한 데이터로의 깊은 분석이 필요하다.