[论文解读] Formation of PBHs binaries and gravitational waves from their merge

Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 17被引用 7

一句话总结

本文重新評估了在輻射支配時期原初黑洞（PBH）雙星的形成過程，納入了由暴脹密度擾動所引發的潮汐力。研究發現，與以往估計相比，PBH併合率及其相關的引力波爆發率被抑制了約10倍；若原初黑洞佔暗物質的 f ≈ 2×10⁻²，則該模型可與LIGO的GW150914事件相符。

ABSTRACT

It was shown by (Nakamura et al. 1997), (Ioka et al. 1998), and (Sasaki et al. 2016) that primordial black holes (PBHs) binaries can form effectively at the cosmological stage of radiation dominance, and the merge of PBHs in pairs can explain the gravitational wave burst GW150914. In this paper, the model is re-examined by considering the effect of inflationary density perturbations which produce additional tidal forces. As a result, the merge rate of PBHs binaries and the corresponding rate of gravitational bursts are suppressed by about one order of magnitude in comparison with previous calculations. The rate matches the LIGO data if the PBHs constitute f ∼ 2× 10 − 2× 10 fraction of dark matter.

研究动机与目标

• 重新評估原初黑洞（PBH）雙星在輻射支配時期的形成速率。
• 研究暴脹密度擾動如何影響潮汐力，進而影響PBH雙星的動力學行為。
• 評估由此產生的PBH併合率是否能解釋引力波事件GW150914。
• 確定在修正後的模型下，與LIGO觀測結果一致所需的PBH在暗物質中所佔的比例。

提出的方法

• 將暴脹密度擾動視為作用於PBH雙星的額外潮汐力來源。
• 在輻射支配時期下，重新分析這些潮汐力對PBH雙星動力學演化的影響。
• 利用宇宙學擾動理論，模擬原初密度波動對PBH成對形成與結合的影響。
• 採用先前研究（Nakamura et al. 1997; Ioka et al. 1998; Sasaki et al. 2016）所使用的框架，但引入了來自暴脹的潮汐修正項。
• 計算因潮汐力改變而導致的PBH併合率抑制因子。
• 將所得併合率與GW150914的觀測速率比較，以約束PBH在暗物質中的分數。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴脹密度擾動如何影響作用於原初黑洞雙星的潮汐力？
• RQ2 當納入暴脹擾動所產生的潮汐力時，PBH雙星併合率被抑制的程度如何？
• RQ3 修正後的併合率是否仍與觀測到的引力波事件GW150914相符？
• RQ4 在新模型下，為與LIGO數據一致，暗物質中必須有多少比例由PBH組成？
• RQ5 納入暴脹潮汐效應後，對先前PBH雙星形成與併合率預測有何改變？

主要发现

• 納入來自暴脹密度擾動的潮汐力後，PBH雙星併合率相比以往估計被抑制了約一個數量級。
• 抑制效應源於輻射支配時期潮汐應力對PBH對的動力學破壞增強。
• 當PBH佔暗物質預算的 f ≈ 2×10⁻² 時，修正後的併合率與GW150914引力波爆發的觀測速率相符。
• 該模型仍可解釋GW150914，但僅當PBH佔暗物質的少量但不可忽略的比例（約2%）時成立。
• 抑制效應足夠顯著，可使早期過度預測與LIGO的觀測約束相協調。