[論文レビュー] High Longevity Microlensing Events and Dark Matter Black Holes

Paul H. Frampton|ArXiv.org|Jun 10, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、従来のマイクロレンズ調査では検出されていないにもかかわらず、質量が $10^6 M_{\odot}$ までのダークマター・ブラックホール（DMBHs）が、宇宙のエントロピーの顕著な割合を占め得ると提案している。ホログラフィー原理とエントロピーの議論を用いて、$10^2$--$10^6 M_{\odot}$ の範囲のDMBHsは長期間にわたるマイクロレンズ事象（$t_0 \sim 200$ 年）を引き起こすことが示され、これは観測可能なシグナチャーを提供し、宇宙の観測エントロピーを1桁分増加させる可能性がある。

ABSTRACT

Gravitational microlensing has been employed to identify massive halo objects by their amplification of distant sources; MACHO searches have studied event times $2 h \lesssim t_0 \lesssim 2 y$ corresponding masses in the range $10^{-6} M_{\odot} \lesssim M \lesssim 100 M_{\odot}$. We suggest that larger masses up to $10^6 M_{\odot}$ are also of considerable interest. It has not been excluded that there is a significant number of halo black holes with such high masses as suggested by cosmological entropy considerations and potentially detectable by high longevity microlensing events.

研究の動機と目的

• 質量が $10^6 M_{\odot}$ までのダークマター・ブラックホール（DMBHs）が、宇宙論的エントロピーに顕著に寄与している可能性を検討すること。
• このようなDMBHsが現在の観測と矛盾せず、高寿命マイクロレンズ事象によって検出可能であると主張すること。
• ホログラフィー原理と熱力学第二法則を用いて、既知の超大質量ブラックホールよりもエントロピー効率の高い構成であるDMBHsの存在を正当化すること。
• マイクロレンズ時間スケール $t_0$ とDMBH質量との関係 $t_0 \propto M^{1/2}$ を用いて、DMBH検出の観測的窓を精緻化すること。
• DMBHsが、ハロー質量のわずかな質量分额（$\sim1\%$）であっても、宇宙のエントロピーの最大90％を占め得ると示唆すること。

提案手法

• ホログラフィー原理を適用して、宇宙論的エントロピーの上限と下限を推定し、$10^{103} \lesssim S_U \lesssim 10^{111}$ を得る。
• 質量 $\eta M_{\odot}$ のブラックホールについて、エントロピースケーリング $S_{BH} \sim 10^{77} \eta^2$ を用いて、DMBHsの寄与を評価する。
• マイクロレンズ時間スケール $t_0 \simeq 0.2\,\text{y} \cdot (M/M_{\odot})^{1/2}$ を導出し、DMBH質量と観測可能な事象持続時間の関係を結ぶ。
• XuとOstriker（2004）の制約を用いて、銀河ハロー内でのDMBHsの動的安定性を検討し、$M_{\text{DMBH}} \lesssim 10^6 M_{\odot}$ であればハローの破壊を避けることができるとする。
• マイクロレンズ調査（例：MACHO）および広帯域二重星解析からの観測制約を評価し、DMBH分率 $f$ の上限を設定する。
• 既知の超大質量ブラックホールやその他の成分（例：CMB、ニュートリノ）のエントロピー寄与と比較し、相対的な優位性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が $10^6 M_{\odot}$ までのダークマター・ブラックホールが、現在の宇宙論的および観測的制約と整合するか？
• RQ2 ホログラフィー原理に基づくエントロピーの議論が、高質量DMBHsが主要なエントロピー貯蔵庫であることを支持するか？
• RQ3 高寿命マイクロレンズ事象（$t_0 \gtrsim 200$ 年）は、銀河ハロー内のDMBHsの検出法として実現可能か？
• RQ4 ハロー内での質量分額がわずかであっても、DMBHsが宇宙のエントロピーのどの程度を占め得るか？
• RQ5 DMBHsの存在は、現在の超大質量ブラックホール支配の状態に比べて、エントロピー予算にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 質量 $10^2 M_{\odot}$ から $10^6 M_{\odot}$ のDMBHsは、最大200年間続くマイクロレンズ事象を引き起こし、通常のMACHO調査の2年間の窓を超えうる。
• 1つの銀河あたりハロー質量の $f = 0.01$ のDMBH質量（$10^6 M_{\odot}$）を持つ場合、観測可能な宇宙に $\sim 10^{16}$ 個のこのようなブラックホールが存在する。
• $10^6 M_{\odot}$ のDMBHsが $10^{16}$ 個存在する場合、DMBHsが寄与する総エントロピーは $\sim 10^{104}$ に達し、宇宙の総宇宙論的エントロピーの約90％を占める。
• わずかな質量分額（$\sim1\%$）であっても、DMBHsは宇宙の観測エントロピーを1桁分増加させ、ホログラフィックに許容される上限 $10^{111}$ に近づける。
• 熱力学第二法則とホログラフィー原理に基づくエントロピーの議論は、DMBHsの存在を強く支持する根拠を提供する。なぜなら、現在のSMBH支配状態よりも確率的・エントロピー的により高い状態を表しているからである。
• 既存の観測制約（例：$f < 0.025$）は、$f \sim 0.01$ のDMBHsを排除しない。高寿命マイクロレンズ調査により、これらの制約を厳しくするか、存在を確認できる可能性がある。