[논문 리뷰] Primordial Black Holes as Seeds for Cosmic Structures

B. J. Carr, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 02.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 100 M☉ 이하의 질량을 가진 초기 블랙홀(PBHs)이 은하 또는 초거대 블랙홀을 형성하는 '시드' 효과 또는 초기 구조 형성 속도를 높이는 '포isson' 효과를 통해 천체 구조의 씨앗으로 기능할 수 있다고 제안한다. PBHs의 질량 스펙트럼이 넓을 경우, 암흑물질을 공급하고 첫 번째 구름을 결합하며 관측된 은하 질량 함수를 자연스럽게 재현할 수 있으며, LIGO에서 LISA 대역에 이르는 연속적인 중력파 배경이 탐지 가능하다.

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) could provide the dark matter in various mass windows below $10^2 M_{\odot}$ and those of $30 M_{\odot}$ might explain the LIGO events. PBHs much larger than this might have important consequences even if they provide only a small fraction of the dark matter. In particular, they could generate cosmological structure through either the `seed' effect or the `Poisson' effect, thereby alleviating some problems associated with the standard CDM scenario. If the PBHs all have a similar mass and make a small contribution to the dark matter, then the seed effect dominates on small scales, in which case PBHs could seed the supermassive black holes in galactic nuclei or even galaxies themselves. If they have a similar mass and provide the dark matter, the Poisson effect dominates on all scales and the first bound clouds would form earlier than in the usual scenario, with interesting observational consequences. If the PBHs have an extended mass spectrum, which is more likely, they could fulfill all three roles - providing the dark matter, binding the first bound clouds and generating galaxies. In this case, the galactic mass function naturally has the observed form, with the galaxy mass being simply related to the black hole mass. The stochastic gravitational wave background from the PBHs in this scenario would extend continuously from the LIGO frequency to the LISA frequency, offering a potential goal for future surveys.

연구 동기 및 목표

• 초기 블랙홀(PBHs)이 암흑물질 후보로서의 역할을 넘어서 천체 구조 형성의 타당한 씨앗이 될 수 있는지 탐색하기.
• PBH 질량 분포와 비율에 따라 '시드' 효과와 '포isson' 효과가 초기 구조 형성에 미치는 상대적 영향을 조사하기.
• 넓은 PBH 질량 스펙트럼이 관측된 은하 질량 함수를 자연스럽게 재현할 수 있고 암흑물질 및 구조 형성에 통합적인 설명을 제공할 수 있는지 규명하기.
• PBHs가 저주파수 및 고주파수 대역의 확률적 중력파 배경에 미치는 영향을 검토하기.

제안 방법

• 초기 우주에서 점질량 과밀도로 간주된 PBHs가 중력 잠재력에 의해 중력 수축을 유도하는 모델링.
• '시드' 효과 형식을 적용하여, PBHs가 암흑물질의 일부에 불과할 경우 소규모 스케일에서 결합된 구조나 초거대 블랙홀의 조기 형성을 유도할 수 있음을 보여주기.
• '포isson' 효과를 사용하여 PBHs가 암흑물질를 지배할 경우, 밀도 불균형이 증가하여 첫 번째 결합된 구름의 붕괴가 더 이르게 일어남을 기술하기.
• 넓은 PBH 질량 함수가 유도하는 은하 질량 함수에 미치는 영향을 분석하고, PBH와 은하의 질량 간 직접 비례 관계를 가정하기.
• LIGO 및 LISA 주파수 대역에서 PBH 이중체 융합에 의해 생성된 확률적 중력파 배경을 추정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 M☉ 이하의 질량을 가진 PBHs가 초거대 블랙홀이나 전체 은하의 씨앗이 될 수 있는가?
• RQ2 PBH의 비율과 질량 분포에 따라 '시드' 효과와 '포isson' 효과가 초기 구조 형성에 미치는 영향은 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 넓은 PBH 질량 함수가 관측된 은하 질량 함수를 자연스럽게 재현할 수 있는가?
• RQ4 PBH 집단으로부터 기대되는 확률적 중력파 배경의 주파수 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ5 PBHs가 초기 우주에서 첫 번째 결합된 구조의 형성 시기와 특성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 좁은 질량 함수와 암흑물질 기여도가 열악한 PBHs는 소규모 스케일에서 '시드' 효과를 통해 초거대 블랙홀이나 은하의 형성을 유도할 수 있다.
• PBHs가 질량 함수가 좁고 암흑물질를 완전히 차지할 경우, '포isson' 효과는 표준 CDM 시나리오보다도 더 이른 시기에 첫 번째 결합된 구름의 형성을 이끈다.
• 넓은 PBH 질량 스펙트럼은 PBHs가 세 가지 역할을 동시에 수행할 수 있도록 해주며, 암흑물질 공급, 첫 번째 구름의 결합, 관측된 질량 함수를 자연스럽게 재현하는 데 기여한다.
• 이 시나리오에서 은하 질량 함수는 PBH 질량 함수의 직접적 결과로 나타나며, 은하 질량은 블랙홀 질량과 선형적으로 관련된다.
• PBHs에서 기인하는 확률적 중력파 배경은 LIGO 주파수에서 LISA 주파수에 이르기까지 연속적으로 퍼져 있으며, 다양한 관측소에서 탐지 가능한 서명을 제공한다.