[論文レビュー] Domain wall interpretation of the PTA signal confronting black hole overproduction

Yann Gouttenoire, Edoardo Vitagliano|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、パulsar Timing Arrays (PTA) が検出した確率的重力波背景 (SGWB) が、初期宇宙で消失するドメインウォール (DW) ネットワークに起因すると提案している。このプロセスは同時に、超視界的DWの収縮によって原始ブラックホール (PBH) を生成する。PBH過剰生成を事前分布として用いたPTAデータのベイズ解析により、相関長 L ≳ 0.6t のDWは、地上干渉計で観測可能なキロヘルツ帯のSGWBを生成でき、その結果得られるPBHの質量は約10 M☉であることが判明した。

ABSTRACT

Recently, Pulsar Timing Array (PTA) collaborations have detected a stochastic gravitational wave background (SGWB) at nano-Hz frequencies, with Domain Wall networks (DWs) proposed as potential sources. To be cosmologically viable, they must annihilate before dominating the universe energy budget, thus generating a SGWB. While sub-horizon DWs shrink and decay rapidly, causality requires DWs with super-horizon size to continue growing until they reach the Hubble horizon. Those entering the latest can be heavier than a Hubble patch and collapse into Primordial Black Holes (PBHs). We conduct a Bayesian analysis of the PTA signal, interpreting it as an outcome of SGWB from DW networks, with a prior ensuring no PBH overproduction. Our findings indicate that DWs result in the production of solar-mass PBHs. The binary mergers occurring within these PBHs generate a second SGWB in the kilo-Hz domain which could be observable in on-going or planned Earth-based interferometers.

研究の動機と目的

• ドメインウォールネットワークが、PTAの確率的重力波背景 (SGWB) を同時に説明しつつ、原始ブラックホール (PBH) の過剰生成を避けることができるかを調査すること。
• ドメインウォールの消失過程におけるパーベレーション理論を用いて、超視界的ドメインウォールがPBHに収縮する割合を推定すること。
• PBH過剰生成を物理的事前分布として組み込んだ、PTAデータセット (NG15 および IPTA2) のベイズ解析を実施し、ドメインウォールと超大質量連星ブラックホールの両方の寄与を含めること。
• 特に、地上干渉計で観測可能なキロヘルツ帯に位置する第二のSGWBの観測的シグネチャを特定すること。

提案手法

• 数値シミュレーションから得られる A ≈ 0.8 を用いて、スケーリング状態におけるエネルギー密度と相関長を ρ_DW = σ / L でモデル化し、L ≈ t / A とする。
• ドメインウォールの消失過程において、パーベレーション理論を適用して、超視界的ドメインウォールのうち何割がPBHに収縮するかを推定する。
• 重力波のみのモデル（GWOnly-Extライブラリ）からの天体物理学的事前分布を組み込み、ドメインウォール解釈と超大質量連星ブラックホールモデルをベイズ的推論で比較する。
• PBH過剰生成、ビッグバン核合成 (BBN)、およびダーク放射（ΔN_eff < 0.4）の制約を事前条件として含める。
• ドメインウォールネットワークの相関長 L/t に依存する、キロヘルツ帯におけるPBH連星合体に起因するSGWBの強度を計算する。
• 現在および計画中の地上干渉計（例：LIGO、LISA）を用いた、二次的SGWBの検出可能性を評価する。

Figure 1: LEFT: SGWB from DW network annihilation ( solid ) preferred by PTA datasets, assuming annihilation into SM radiation and neglecting the PBH prior constraints. In ( dotted ), we show the preferred SGWB from SMBH binaries, assuming the astrophysical prior drawn from the ${\tt GWOnly-Ext}$ li

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドメインウォールネットワークは、原始ブラックホール過剰生成制約と整合的である一方で、PTAのナノヘルツ帯SGWBを説明できるか？
• RQ2 超視界的ドメインウォールのうち、どの程度がPBHに収縮するのか？その割合はネットワークの相関長にどのように依存するか？
• RQ3 ドメインウォールの消失によって誘発されるPBH連星合体に起因する、二次的重力波背景の予測された振幅と周波数スペクトルは何か？
• RQ4 PBH過剰生成を事前分布として組み込むことで、PTA信号のドメインウォール解釈に対するベイズ的証拠はどのように変化するか？
• RQ5 ドメインウォールの相関長 L/t がどの程度の範囲にある場合に、その結果生じるキロヘルツ帯SGWBが現在または将来の地上干渉計で検出可能になるか？

主な発見

• ベイズ解析の結果、ドメインウォールネットワークと超大質量連星ブラックホールの両方を組み合わせたモデルは、PTA信号を説明する上で妥当である。特に、SM再熱の下では log₁₀(X) ≈ 0.30 ± 0.01、PBH過剰生成制約を課した場合では 0.22 ± 0.00 の事後平均を得た。
• 地上干渉計で観測可能なキロヘルツ帯のSGWBを生成するには、L/t ≳ 0.6 のドメインウォールが必要であり、L/t が大きくなるほど信号強度は減少する。
• 超視界的ドメインウォールが収縮して生成されるPBHの質量は、約10 M☉であり、キロヘルツ帯重力波検出器が探査する質量範囲と整合的である。
• PBH過剰生成制約は、特に L/t < 0.8 の場合にドメインウォールモデルの許容可能なパラメータ空間を顕著に抑制することが判明した。
• L/t ≳ 0.8 の範囲では、式 (13) で示されるドメインウォールネットワークからのPBH生成量は、CMBおよびキロヘルツ帯干渉計からの観測的制約内に収まり、モデルの妥当性が示された。
• SM再熱とPBH過剰生成事前分布を組み合わせたモデルでは、L/t ∈ [0.8,1.5] の範囲で log₁₀(B) ≈ 0.08 ± 0.01 のベイズ因子を得ており、ドメインウォール解釈に対する弱いが無視できない支持が得られた。

Figure 2: The solid lines shows the PBH abundance from DW networks, given in Eq. ( 13 ), as a function of the correlation length $L$ of the DW network in unit of the cosmic horizon $t$ . We set the DW network parameters to the mean and 68 $\%$ deviation of the NG15 posteriors, represented by the thr