[论文解读] Primordial Black Hole Dark Matter and LIGO/Virgo Merger Rate from Inflation with Running Spectral Indices.

Kazunori Kohri, Takahiro Terada|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文研究了原初黑洞（PBHs）作为暗物质来源以及LIGO/Virgo双黑洞并合事件起源的可能性，采用具有运行谱指数的暴胀模型。研究发现，若运行谱指数的运行值β_s ≈ 0.03，则在辐射主导时期形成的约10倍太阳质量的PBHs可解释观测到的并合率；而早期物质主导时期形成的小行星质量PBHs在特定运行参数条件下可解释全部暗物质。

ABSTRACT

We study possibilities to explain the whole dark matter abundance by primordial black holes (PBHs) or to explain the merger rate of binary black holes estimated from the gravitational wave detections by LIGO/Virgo. We assume that the PBHs are originated in radiation- or matter-dominated era from large primordial curvature perturbation generated by inflation. We take a simple model-independent approach considering inflation with large running spectral indices which are parametrized by $n_ ext{s}, \alpha_ ext{s}$, and $\beta_ ext{s}$ with being satisfying the observational bounds on them. The merger rate is fitted by PBHs with masses of $\mathcal{O}(10)$ $M_{\odot}$ produced in the radiation-dominated era. Then the running of running should be $\beta_ ext{s} \sim 0.03$, which can be tested by future observation. On the other hand, the whole abundance of dark matter is consistent with PBHs with masses of asteroid ($\mathcal{O}(10^{-17})~M_{\odot}$) produced in an early matter-dominated era if a set of running parameters are properly realized.

研究动机与目标

• 确定原初黑洞（PBHs）是否可解释全部暗物质丰度。
• 评估在暴胀期间形成的PBHs是否可解释LIGO/Virgo探测到的双黑洞并合事件的观测并合率。
• 探讨运行谱指数在暴胀模型中生成所需原初曲率扰动的作用。
• 在光谱指数的观测约束下，识别在辐射主导或物质主导时期形成PBHs的可行参数区域。

提出的方法

• 采用不依赖具体模型的暴胀方法，包含三个谱参数：标量谱指数 $n_s$、运行 $\alpha_s$ 和运行的运行 $\beta_s$。
• 应用对 $n_s$、$\alpha_s$ 和 $\beta_s$ 的观测约束，以限制可行的暴胀模型。
• 模拟在辐射主导或物质主导时期，由暴胀期间产生的大原初曲率扰动所形成的PBHs。
• 通过在辐射主导时期形成的质量为 $\mathcal{O}(10)~M_\odot$ 的PBHs，拟合观测到的LIGO/Virgo双黑洞并合率。
• 评估在早期物质主导时期形成的质量为小行星尺度 ($\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$) 的PBHs所贡献的暗物质丰度。
• 分析为匹配观测并合率和暗物质约束，所需 $\beta_s$ 的取值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，暴胀期间形成的PBHs可解释全部暗物质丰度？
• RQ2 质量约为10倍太阳质量的PBHs是否可解释LIGO/Virgo探测到的双黑洞并合事件的观测并合率？
• RQ3 在辐射主导时期，为匹配LIGO/Virgo并合率，运行谱指数 $\beta_s$ 需取何值？
• RQ4 哪些 $n_s$、$\alpha_s$ 和 $\beta_s$ 的参数组合可使PBHs在物质主导时期解释全部暗物质？
• RQ5 未来观测如何检验 $\beta_s \sim 0.03$ 的预测值以解释并合率？

主要发现

• 若运行的运行谱指数 $\beta_s \sim 0.03$，则在辐射主导时期形成的质量为 $\mathcal{O}(10)~M_\odot$ 的PBHs可解释观测到的LIGO/Virgo双黑洞并合率。
• 该 $\beta_s \sim 0.03$ 的值可通过未来的引力波观测进行检验。
• 若在早期物质主导时期对暴胀参数 $n_s$、$\alpha_s$ 和 $\beta_s$ 进行适当调制，则全部暗物质丰度可由质量为小行星尺度 ($\mathcal{O}(10^{-17})~M_\odot$) 的PBHs解释。
• 该模型无关方法确保与当前对谱指数的观测约束一致。
• 结果表明，具有大运行谱指数的暴胀模型可同时通过PBHs解释并合率和暗物质丰度。
• 本研究识别出在辐射主导与物质主导时期形成PBHs的独立参数区域，各自与不同的观测约束一致。