[論文レビュー] Exclusion of the remaining mass window for primordial black holes as the dominant constituent of dark matter

Paolo Pani, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、10^17–10^24 g の質量範囲にわたる初期ブラックホール（PBHs）が、中性子星による重力的捕獲と高角運動量モードへのエネルギー供給による急速な破壊が生じるため、支配的であるダークマター成分として除外されることを示している。この分析では、粘性と皮膚の弾性率によるエネルギー損失の正則化を基盤としており、ダークマター密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 という新たな制約を設定し、PBHの質量窓を狭め、既存の限界と併せて、PBHが主なダークマター成分である可能性を除外する。

ABSTRACT

In a close encounter with a neutron star, a primordial black hole can get gravitationally captured by depositing a considerable amount of energy into nonradial stellar modes of very high angular number $l$. If the neutron-star equation of state is sufficiently stiff, we show that the total energy loss in the point-particle approximation is formally divergent. Various mechanisms -including viscosity, finite-size effects and the elasticity of the crust- can damp high-$l$ modes and regularize the total energy loss. Within a short time, the black hole is trapped inside the star and disrupts it by rapid accretion. Estimating these effects, we predict that the existence of old neutron stars in regions where the dark-matter density rho_{DM}>10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 (where sigma is the dark-matter velocity dispersion) limits the abundance of primordial black holes in the mass range 10^{17} g < m_{PBH} < 10^{24} g, which was previously unconstrained. In combination with existing limits, our results suggest that primordial black holes cannot be the dominant dark matter constituent.

研究の動機と目的

• 10^17–10^24 g の質量範囲にわたる初期ブラックホール（PBHs）が、支配的ダークマター成分を占め得るかどうかを調査すること。
• 高次の非球面的星体モードへのエネルギー供給を通じて、PBHs が中性子星を捕獲・破壊する可能性を評価すること。
• 高ダークマター密度領域における古い中性子星の生存を分析することで、PBHの豊度に関する観測的制約を特定すること。
• 点粒子近似における形式的発散エネルギー損失を、粘性や有限サイズ効果、皮膚の弾性率といった物理的メカニズムを用いて正則化すること。

提案手法

• 高角数 l を持つ非球面的星体振動を介して、中性子星との接近時に PBH が失うエネルギーをモデル化する。
• 点粒子近似を適用して全エネルギー損失を計算するが、剛性の高い状態方程式では形式的に発散する。
• 粘性、有限サイズ効果、皮膚の弾性率といった物理的正則化メカニズムを導入し、高lモードを減衰させ、エネルギー損失を有限に保つ。
• エネルギー損失と星体構造パラメータに基づいて、PBH の捕獲および破壊に要する時間スケールを推定する。
• ダークマター密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 の領域で観測された古い中性子星の生存を根拠に、PBH の豊度を制約する。
• 得られた制約を既存の観測的限界と組み合わせ、PBH が支配的ダークマターとしての可能性を全体的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^17–10^24 g の質量範囲にわたる初期ブラックホール（PBHs）は、高l星体モードへのエネルギー供給により中性子星に捕獲可能か？
• RQ2 剛性の高い中性子星の状態方程式において、点粒子近似における形式的発散エネルギー損失は、現実的な効果によって物理的に正則化可能か？
• RQ3 中性子星の生存に基づいて、この質量範囲の PBH を除外するために必要な最小ダークマター密度は何か？
• RQ4 粘性、有限サイズ効果、皮膚の弾性率は、PBH の全エネルギー損失および捕獲時間スケールにどのように影響を与えるか？
• RQ5 中性子星の生存と既存の限界を併用した制約は、PBH が支配的ダークマター成分である可能性を排除できるか？

主な発見

• 剛性の高い中性子星の状態方程式において、点粒子近似における全エネルギー損失は発散するが、粘性や皮膚の弾性率といった物理的メカニズムにより、この発散が正則化される。
• 10^17–10^24 g の質量範囲にわたる PBH は、高lモードへの顕著なエネルギー供給により、短時間スケールで効率的に捕獲され、中性子星が破壊される。
• ダークマター密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 の領域で観測された古い中性子星の生存は、この質量範囲の PBH が支配的ダークマター成分であることを除外する。
• 中性子星の生存に基づく制約は、10^17–10^24 g の窓において、従来未制約であった領域で、以前の限界を上回る強い制約を提供する。
• 既存の観測的限界と組み合わせた結果、初期ブラックホールはダークマターの支配的成分である可能性が低いと示唆される。