[論文レビュー] A Faster Growth of Perturbations in an Early Matter Dominated Epoch: Primordial Black Holes and Gravitational Waves

Subinoy Das, Anshuman Maharana+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 99被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、初期物質支配期におけるスカラー媒介の引力がダークフェルミオン間で働くことによって、宇宙論的摂動が超高速に成長する場面を提案する。このメカニズムにより摂動は δ(t) ∼ a(t)^s と成長し、s > 10 となる。その結果、月未満の原始ブラックホール（PBH）が効率的に形成され、10⁻³ Hz から 10¹⁵ Hz の周波数にわたる広帯域の重力波が生成される。

ABSTRACT

We present a scenario for fast growth of cosmological perturbations; $\delta(t) \sim a(t)^s$, $a(t)$ being the scale factor, with $s > 10$ for the numerical examples reported in this article. The basic ingredients of the scenario are an early matter dominated era and the dark fermion which experiences a scalar mediated force during the epoch. Both of these arise in string/supergravity models. The fast growth occurs for sub-horizon density perturbations of the dark fermion. The fast growth has a rich set of phenomenological implications. We outline implications for the formation of primordial black holes and the production of gravitational waves. Primordial black holes in the sub-lunar mass range (which are ideal dark matter candidates) can be produced. Gravitational waves can be produced in a wide range of frequencies due to second order scalar perturbations and due to evaporation and merger of primordial black holes.

研究の動機と目的

• 物質支配期において標準的な線形成長を超える宇宙論的摂動の高速成長を説明すること。
• このような高速成長が原始ブラックホール（PBH）形成および重力波（GW）生成に与える現象論的影響を調査すること。
• 月未満の質量範囲のPBH—理想的なダークマター候補—が、このメカニズムによって効率的に生成可能であることを示すこと。
• 第二階層のスカラー摂動およびPBHの運動から、広帯域の周波数にわたる重力波が生成されることを示すこと。

提案手法

• エネルギー運動量テンソルのトレースに比例するカップリングを持つ質量のあるスカラー場（φ）を介して相互作用する、隠れたセクターのフェルミオン（ψ）を導入する。
• 初期物質支配（EMD）期を、振動するモジュライや類似の場によって駆動する背景ダイナミクスをモデル化する。
• スカラー媒介の引力の影響を受けるψ流体の超視界外摂動を分析する。
• 時間に依存するカップリングを現象論的にパラメータ化し、wψ = 1/3 から wψ = 0 への遷移が力を引き起こすと仮定する。
• 背景および摂動の運動方程式を数値的に解き、s > 10 の成長指数を示す。
• 急速に成長する密度揺らぎからのPBH形成と、スカラー摂動およびPBHの合体／蒸発から生じるGW生成を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期物質支配宇宙において、摂動が δ ∝ a(t) よりも速く成長できるか？
• RQ2 ダークフェルミオン間のスカラー媒介力が、密度摂動の超線形成長を引き起こす条件は何か？
• RQ3 この高速成長メカニズムにより、月未満の質量範囲の原始ブラックホールを生成できるか？
• RQ4 この場面において、第二階層のスカラー摂動およびPBHの運動から生成される重力波の周波数スペクトルは何か？
• RQ5 ストリング理論的または超対称性理論のモデルは、必要な初期物質支配とスカラー媒介相互作用を自然に実現できるか？

主な発見

• 数値例において、摂動は標準的な δ ∝ a(t) の成長よりも顕著に速く、δ(t) ∼ a(t)^s と成長し、s > 10 となる。
• 密度揺らぎの急速な成長のおかげで、月未満の質量の原始ブラックホール（PBH）が効率的に生成可能である。
• 第二階層のスカラー摂動およびPBH合体／蒸発プロセスのおかげで、10⁻³ Hz から 10¹⁵ Hz にわたる広帯域の重力波が生成される。
• ストリング／超対称性理論のモデルから自然に生じる現象論的に妥当な設定において、このメカニズムが機能する。初期物質支配とスカラー媒介力が含まれる。
• 高速成長は、EMD期における非相対論的ダークフェルミオン間の引力的スカラー媒介力によって駆動され、重力よりも強い。
• EMD期は再熱温度が ∼3 MeV 以上で終了するため、ビッグバン核合成制約と整合的である。