[논문 리뷰] Were recently reported MHz events planet mass primordial black hole mergers?

Guillem Domènech|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 59인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 대량 음향파 캐비티에 의해 최근 보고된 5.5 MHz 중력파 사건이 질량 ≈4×10⁻⁴M⊙인 행성질량 원시 블랙홀(PBH) 간의 병합에서 기인할 수 있는지 조사한다. 중력파 변형도 추정치와 병합 속도 계산을 통해, 이러한 사건이 0.026 pc 이내에서 발생할 확률은 약 10²⁴분의 1로 매우 낮아 PBH 병합은 설명으로서 타당성이 떨어진다. 그러나 이러한 이중성에서 비롯된 잡음 배경은 향후 임무인 DECIGO와 BBO에 의해 탐지 가능할 수 있다.

ABSTRACT

A bulk acoustic wave cavity as high frequency gravitational wave antenna has recently detected two rare events at $5.5$MHz. Assuming that the detected events are due to gravitational waves, their characteristic strain amplitude lies at about $h_c\approx 2.5 imes 10^{-16}$. While a cosmological signal is out of the picture due to the large energy carried by the high frequency waves, the signal could be due to the merging of two planet mass primordial black holes ($\approx 4 imes 10^{-4} M_\odot$) inside the Oort cloud at roughly $0.025$ pc ($5300$ AU) away. In this short note, we show that the probability of one such event to occur within this volume per year is around $1:10^{24}$, if such Saturn-like mass primordial black holes are $1\%$ of the dark matter. Thus, the detected signal is very unlikely to be due the merger of planet mass primordial black holes. Nevertheless, the stochastic background of saturn mass primordial black holes binaries might be seen by next generation gravitational wave detectors, such as DECIGO and BBO.

연구 동기 및 목표

• 최근에 보고된 5.5 MHz 중력파 사건이 행성질량 원시 블랙홀 병합에 의해 유발된 것인지 가능성 평가하기.
• 태양계 주변 관측 가능 부피 내에서 이러한 PBH 이중성의 병합 속도 계산하기.
• 관측된 변형도 진폭(hc ≈ 2.5×10⁻¹⁶)이 근처 PBH 병합에 의해 설명될 수 있는지 평가하기.
• 향후 세대의 탐지기에서 소태양질량 및 행성질량 PBH 이중성에서 비롯된 잡음 중력파 배경의 탐지 가능성 탐색하기.
• 고주파 중력파 제약 조건을 바탕으로 PBH가 어둠성 물질 후보로 가능한지 제약 조건 설정하기.

제안 방법

• 이중성 병합의 특성 변형도 공식을 사용: hc ≈ 4 / r × (GMc)⁵ᐟ³ × (πfGW)²ᐟ³.
• 치르프 주파수 추정치 fGW,max ≈ 4.4 MHz × (10⁻³M⊙ / (m₁ + m₂))를 적용하여 5.5 MHz 사건에 대해 약 4×10⁻⁴M⊙의 PBH 질량을 유추함.
• 문헌 [10]의 병합 속도 공식을 활용: R ≈ 1.5×10⁻¹⁸ pc⁻³yr⁻¹ × f²_PBH / (f²_PBH + σ²_eq)²¹ᐟ⁷⁴ × (MPBH / 10⁻³M⊙)⁻³²ᐟ³⁷.
• fPBH ≈ 0.01(어둠성 물질의 1%)로 가정하고, fPBH ≫ σ_eq 조건에서 σ_eq 의존성을 무시함.
• 5 MHz에서 탐지기 감도를 바탕으로 관측 가능 부피를 약 (0.1 pc)³로 추정함.
• 해소되지 않은 PBH 이중성 병합에서 비롯된 잡음 배경을 향후 탐지 목표로 고려함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 5.5 MHz 중력파 사건이 행성질량 원시 블랙홀 병합에서 기인할 수 있는가?
• RQ2 태양계 주변 0.026 pc 이내에서 4×10⁻⁴M⊙ 원시 블랙홀 이중성의 예상 병합 속도는 얼마인가?
• RQ3 현재 PBH 밀도 제약 조건을 고려할 때, 이러한 희귀 사건이 우연히 발생할 가능성은 얼마나 되는가?
• RQ4 행성질량 PBH 이중성에서 비롯된 잡음 중력파 배경은 DECIGO와 BBO와 같은 향후 임무에 의해 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ5 고주파 중력파 탐지 결과는 원시 블랙홀의 어둠성 물질 비율에 어떤 제약을 둔다?

주요 결과

• fPBH ≈ 0.01 조건 하에, 0.026 pc 이내에서 행성질량 원시 블랙홀(≈4×10⁻⁴M⊙)의 병합 속도는 R ≲ 5×10⁻²⁴ pc⁻³yr⁻¹로 추정됨.
• 관측 가능 부피 내에서 이러한 사건을 탐지할 확률은 약 10²⁴분의 1로 매우 낮아, 매우 불가능한 일로 간주됨.
• 관측된 변형도 진폭(hc ≈ 2.5×10⁻¹⁶)은 병합가가 r ≈ 2.6×10⁻² pc(약 5300 AU) 거리에서 발생해야 함을 요구함.
• 樂觀한 가정을 해도 신호는 한 개의 근처 PBH 병합으로서 설명하기에는 너무 약함.
• 해소되지 않은 PBH 이중성 병합에서 비롯된 잡음 배경은 DECIGO와 BBO와 같은 향후 세대 탐지기에서 탐지 가능할 수 있음.
• 결과적으로, 단일 PBH 병합은 MHz 사건에 대한 설명으로 타당성이 떨어지지만, 누적된 잡음 신호는 향후 고주파 중력파 천문학의 타당한 탐지 대상으로 남아 있음.