[논문 리뷰] Unraveling the early universe's equation of state and primordial black hole production with PTA, BBN, and CMB observations

QingHua Zhu, Zhichao Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 25.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 PTA 데이터에 연결된 스칼라 유도 중력파를 이용하여 초기 우주의 상태방정식(EoS) 파라미터를 베이지안 추론으로 분석하고, BBN 및 CMB 제약으로 보완하며, w=1/3이 호환 가능하고 w=0은 >2σ에서 배제되며 f*와 A가 엄밀하게 제한됨을 보여준다.

ABSTRACT

Pulsar timing array (PTA) data releases showed strong evidence for a stochastic gravitational-wave background in the nanohertz band. When the signal is interpreted by a scenario of scalar-induced gravitational waves (SIGWs), we encounter overproduction of primordial black holes (PBHs). We wonder if varying the equation of state (EoS) of the early Universe can resolve this issue and thereby lead to a consistent interpretation of the PTA data. Analyzing a data combination of PTA, big-bang nucleosynthesis, and cosmic microwave background, we find that an epoch with EoS $w\sim\mathcal{O}(10^{-2})$ between the end of inflation and the onset of radiation domination can significantly suppress the production of PBHs, leading to alleviation of the PBH-overproduction issue. With the inferred interval $w=0.44_{-0.40}^{+0.52}$ at 95\% confidence level, our scenario can interpret the PTA data just as well as the conventional scenario of SIGWs produced during the radiation domination.

연구 동기 및 목표

• SIGW를 사용하여 인플레이션과 복사 지배 사이의 초기 우주 상태방정식 매개변수 w를 조사한다.
• 다중 데이터셋 관찰을 통해 SIGW 에너지 밀도 스펙트럼 매개변수 (A, f*, w)를 제약한다.
• 상대론 자유도에 대한 BBN과 CMB 경계가 SIGW 기반 추론을 어떻게 정제하는지 평가한다.
• 단색 모노크로매틱 원시 곡률 요동 스펙트럼을 가정한 것이 EoS 추론에 미치는 beeinfl를 검토한다.

제안 방법

• 일찍 시간대의 에포크에서 [0,1] 범위의 가변 EoS w를 가지며 방사 지배로 전이되는 동안 생성된 SIGW를 모델링한다 (w=1/3).
• 전이 eta_R을 포함하여 에너지 밀도 분수 스펙트럼 Omega_GW(k, eta)와 현재 값 h^2 Omega_GW,0(k)을 유도한다.
• P_zeta = A k_* delta(k - k_*)인 모노크로매틱 멱 스펙트럼을 사용하고 결과 SIGW 스펙트럼을 계산한다.
• 사전분포를 사용하여 (log10 A, log10(f*/Hz), w)에 대한 베이지안 매개변수 추론을 수행하고 두 데이터셋 조합(NG15 PTA 단독; NG15 PTA + BBN/CMB 경계)을 이용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주에서의 EoS 파라미터 w가 SIGW 해석과 함께 PTA 데이터와 결합된 경우 어떤 값들이 호환되는가(BBN 및 CMB 제약 포함)?
• RQ2 모노크로매틱 곡률 섭동 스펙트럼의 스펙트럼 진폭 A와 피크 주파수 f*의 범위는 공동 데이터셋에 의해 어떤 값으로 허용되는가?
• RQ3 초기 시간의 w에서 w=1/3으로의 전이가 SIGW 스펙트럼과 PTA, BBN, CMB 데이터에서의 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 BBN 및 CMB 경계가 PTA 데이터만 사용했을 때보다 SIGW 추정 매개변수 공간을 좁히는가?

주요 결과

• 스펙트럼 진폭 A는 시나리오 간에 대략 10^-3 ~ 10^-1로 제약된다.
• 스펙트럼 피크 주파수 f*은 시나리오 간에 대략 10^-7 ~ 10^-6 Hz로 제약된다.
• joint 데이터를 이용할 때 w=0인 초기 물질 지배는 2σ 이상으로 배제된다.
• w=1/3의 복사 지배는 joint 데이터셋과 여전히 호환된다.
• 초기 시점의 kination-지배 시기(w=1)도 현재 데이터에 의해 금지되지 않는다.
• 결과는 가정된 k_* η_R 값(10, 100, 1000) 및 BBN/CMB priors의 포함 여부에 따라 달라진다.