[论文解读] No LIGO MACHO: Primordial Black Holes, Dark Matter and Gravitational Lensing of Type Ia Supernovae

Miguel Zumalacárregui, Uroš Seljak|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2017

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文利用Ia型超新星的引力透镜效应检验原初黑洞（PBH）暗物质假说，建模大尺度结构与非高斯本征光度分布。研究发现，原初黑洞无法构成暗物质的大部分，对于PBH质量≥0.01 M☉的情况，该假说在5.01σ显著性水平下被排除，从而关闭了与LIGO探测到的黑洞并合事件一致的质量范围。

ABSTRACT

Black hole merger events detected by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) have revived dark matter models based on primordial black holes (PBH) or other massive compact halo objects (MACHO). This macroscopic dark matter paradigm can be distinguished from particle physics models through their gravitational lensing predictions: compact objects cause most lines of sight to be demagnified relative to the mean, with a long tail of higher magnifications. We test the PBH model using the lack of lensing signatures on type Ia supernovae (SNe), modeling the effects of large scale structure, allowing for a non-gaussian model for the intrinsic SNe luminosity distribution and addressing potential systematic errors. Using current JLA (Union) SNe data, we derive bounds $\Omega_{ m PBH}/\Omega_{ m M} < 0.346\,(0.405)$ at 95\% confidence, ruling out the hypothesis of MACHO/PBH comprising the totality of the dark matter at $5.01\sigma (4.28\sigma)$ significance. The finite size of SNe limits the validity of the results to $M_{ m PBH} \gtrsim 10^{-2} M_\odot$, fully covering the black hole mergers detected by LIGO and closing that previously open PBH mass range.

研究动机与目标

• 利用Ia型超新星的引力透镜效应检验原初黑洞（PBH）暗物质假说。
• 评估原初黑洞是否可解释宇宙中全部的暗物质含量。
• 在透镜建模中考虑大尺度结构效应与非高斯本征光度分布。
• 利用当前的JLA（Union）SN数据约束原初黑洞在暗物质中的质量分数。
• 关闭此前与LIGO探测到的黑洞并合事件一致的原初黑洞质量范围。

提出的方法

• 建模由于大尺度结构中致密天体引起的Ia型超新星引力透镜放大率分布。
• 引入非高斯本征光度分布模型以提高准确性。
• 在分析中考虑系统误差，以确保约束结果的稳健性。
• 利用当前的JLA（Union）超新星数据推导原初黑洞质量分数的统计上限。
• 应用针对PBH或MACHO等宏观暗物质候选体的特定透镜预测。
• 计算原初黑洞作为主导暗物质组分的排除显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞是否可如LIGO黑洞并合探测所暗示的那样，构成全部的暗物质？
• RQ2 大尺度结构效应如何影响Ia型超新星的透镜放大率？
• RQ3 非高斯本征光度分布在多大程度上影响对原初黑洞的透镜约束？
• RQ4 在95%置信水平下，原初黑洞质量分数相对于总物质的上限是多少？
• RQ5 与LIGO探测相关的0.01 M☉质量范围内的原初黑洞透镜信号，是否与当前超新星数据保持一致？

主要发现

• 该研究得出95%置信水平下原初黑洞质量分数相对于总物质的上限为ΩmPBH/ΩmM < 0.346（0.405），排除原初黑洞作为主导暗物质组分的可能性。
• 使用JLA SN样本时，原初黑洞构成全部暗物质的假说在5.01σ显著性水平下被排除。
• 当使用Union SN样本时，排除显著性降至4.28σ，仍强烈否定原初黑洞主导的模型。
• 结果适用于原初黑洞质量大于约0.01 M☉的情况，完全覆盖了LIGO探测到的黑洞并合事件的质量范围。
• Ia型超新星的有限尺寸限制了结果在原初黑洞质量高于10−2 M☉范围内的适用性，从而关闭了此前开放的质量窗口。
• 该研究证实原初黑洞无法解释全部暗物质总量，有效关闭了与LIGO观测相关的关键质量范围。