[論文レビュー] LIGO Lo(g)Normal MACHO: Primordial Black Holes survive SN lensing constraints

J. García-Bellido, Sébastien Clesse+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、タイプIa超新星（SN）のレンズ効果が、LIGO質量領域の初期ブラックホール（PBH）をダークマターとして除外するとする主張に挑戦する。事前分布、SNサイズ効果、対数正規分布を用いた再評価により、著者らはPBHがダークマターの100％を占められることを示し、制約がf_PBH < 1.09（JLA）または1.38（Union 2.1）に緩和されることを示し、以前の除外主張とは矛盾する。

ABSTRACT

It has been claimed in Ref.[arXiv:1712.02240] that massive primordial black holes (PBH) cannot constitute all of the dark matter (DM), because their gravitational-lensing imprint on the Hubble diagram of type Ia supernovae (SN) would be incompatible with present observations. In this paper, we critically review those constraints and find several caveats on the analysis. First of all, the constraints on the fraction $α$ of PBH in matter seem to be driven by a very restrictive choice of priors on the cosmological parameters. In particular, the degeneracy between $Ω_{ m M}$ and $α$ is ignored and thus, by fixing $Ω_{ m M}$, transferred the constraining power of SN magnitudes to $α$. Furthermore, by considering more realistic physical sizes for the type-Ia supernovae, we find an effect on the SN lensing magnification distribution that leads to significantly looser constraints. Moreover, considering a wide mass spectrum of PBH, such as a lognormal distribution, further softens the constraints from SN lensing. Finally, we find that the fraction of PBH that could constitute DM today is bounded by $f_{ m PBH} &lt; 1.09\ (1.38)$, for JLA (Union 2.1) catalogs, and thus it is perfectly compatible with an all-PBH dark matter scenario in the LIGO band.

研究の動機と目的

• Zumalacárregui & Seljak (2017) が主張した、SNレンズ効果がLIGO質量領域のPBHをダークマターとして除外するとする主張に反論すること。
• 宇宙論的パラメータとPBH割合の間のデゲネラシーを考慮に入れた、PBH豊度の制約を再表現すること。
• 現実的なSN物理的サイズがレンズ効果の増幅確率密度関数（PDF）に与える影響を再評価すること。
• 単一質量（モノクロマチック）仮定と比較して、広範な対数正規分布を用いた場合のSNレンズ効果制約への影響を評価すること。
• SNレンズ効果観測を適切に考慮した場合、LIGO帯域のPBHがダークマターを完全に説明可能であることを示すこと。

提案手法

• JLAおよびUnion 2.1 SNカタログの赤方偏移分布を統合し、レンズ効果光学的厚さから導かれる増幅PDFを逆算することで、SNレンズ効果制約を再分析する。
• 仮定された点源からより現実的な有限サイズにSN特徴サイズを修正し、レンズ効果増幅効果を低減させ、制約を緩和する。
• PBHに実際の質量分散をモデル化するための対数正規質量関数を導入し、モノクロマチックモデルと比較してレンズ効果制約をさらに弱める。
• Ω_MとPBH割合αのデゲネラシーを再評価し、Ω_Mを固定することでαの制約が不自然に強化されることを示す。
• レンズ効果光学的厚さ形式を用いて、有限源効果と拡張された質量関数を組み込んだ増幅イベントの確率分布を計算する。
• ベイズ的逆問題を用いて、[ZS17]の制約を入力として、SNレンズ効果データからf_PBHの上限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ω_Mに制限的な事前分布を適用することで、SNレンズ効果から得られるPBH割合の推定にどの程度バイアスが生じるか？
• RQ2 タイプIa超新星の有限な物理的サイズは、レンズ効果増幅PDFおよびPBH豊度に与える制約にどのように影響するか？
• RQ3 モノクロマチックな仮定ではなく、広範な対数正規分布をPBHに用いた場合、SNレンズ効果制約はどのように変化するか？
• RQ4 SNレンズ効果制約を適切に考慮した場合、LIGO質量領域（1–100 M☉）のPBHがまだダークマターの全量を占められるか？
• RQ5 見直された制約は、矮星銀河加熱やマイクロレンズ調査などの他の天体物理学的制約と比較してどうなるか？

主な発見

• [ZS17]におけるPBH割合αの制約は、Ω_Mに制限的な事前分布が与える影響が大きく、Ω_Mとαのデゲネラシーを破り、PBHに対する感度を不自然に高めている。
• タイプIa超新星により現実的な有限サイズを適用することで、レンズ効果増幅効果が低減され、制約が約1桁緩和される。
• 対数正規質量関数を用いることで、SNレンズ効果によるPBH豊度の制約はさらに弱まり、f_PBHの上限もさらに緩和される。
• JLA SNカタログではf_PBH < 1.09、Union 2.1カタログではf_PBH < 1.38の上限が得られ、100％PBHダークマターがSNレンズ効果データと整合することを示している。
• 太陽質量未満の範囲におけるモノクロマチックPBH-DMシナリオは依然として妥当であり、適切な物理的・統計的仮定を適用すれば、[ZS17]による除外主張は無効化される。
• PBHのマイクロクラスタリングはさらにレンズ効果を低減させ、観測とより一貫性が高まる。広範な質量関数が考慮されると、EROS制約はもはや支配的ではなくなる。