[論文レビュー] Primordial Black Holes from CDM Isocurvature

Samuel Passaglia, Sasaki Misao|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における大きな寒冷ダークマター（CDM）等曲率摂動から原始的ブラックホール（PBHs）が形成可能であると提唱している。物質のみの宇宙における新規のマッチド摂動法を用いて、スケールにわたるCDM等曲率摂動のモデルに依存しない制約を導出し、小スケールにおいて摂動の振幅に関する制約がわずかに線形よりゆっくりと弱まることを示している。

ABSTRACT

We show that primordial black holes can be produced from the collapse of large isocurvature perturbations of the cold dark matter. We develop a novel procedure to compute the resulting black hole abundance by studying matched perturbations of matter-only universes, and we use our procedure to translate observational constraints on black hole abundances into model-independent constraints on cold dark matter isocurvature perturbations over a wide range of scales. The constraint on the typical amplitude of the primordial perturbations weakens slightly slower than linearly on small scales.

研究の動機と目的

• 原始的ブラックホール（PBHs）が寒冷ダークマター（CDM）成分における大きな原始摂動からどのように形成されるかを調査すること。
• 特定の宇宙論的モデルに依存せずに、CDM等曲率摂動からのPBH豊度を計算する新しい手法を開発すること。
• 観測によるPBH豊度制約を、広範なスケールにわたるCDM等曲率摂動の振幅に関するモデルに依存しない限界に翻訳すること。
• 特に小スケールにおいて、原始等曲率摂動の典型的な振幅に関する制約がスケールにどのように変化するかを特定すること。

提案手法

• 物質のみの宇宙におけるマッチド摂動に基づく新規手順を開発し、大規模なCDM等曲率摂動がPBHに崩壊するのをモデル化すること。
• 球対称崩壊モデルを用いて、放射支配と物質支配の宇宙における等曲率摂動からのPBH形成閾値を推定すること。
• プレス＝シェクター形式を適用して、摂動の分布から得られるPBH質量関数と豊度を計算すること。
• 観測によるPBH豊度制約を、CDM等曲率摂動の初期スペクトルのパワーに翻訳すること。
• スケールの範囲を広く（大スケールから小スケールまで）変えて分析を拡張し、制約のスケール依存性を評価すること。
• 摂動振幅に関する制約のスケール関数としてのスケーリング行動を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ブラックホールは、等曲率モードを介して、寒冷ダークマター成分における大きな原始摂動から形成可能か？
• RQ2 異なるスケールにわたるCDM等曲率摂動からのPBH形成を、モデルに依存しない方法でどのように計算できるか？
• RQ3 PBH豊度制限から導かれるCDM等曲率摂動の振幅に関する観測的制約は何か？
• RQ4 特に小スケールにおいて、等曲率摂動の振幅に関する制約はどのようにスケールに依存するか？
• RQ5 スケールが小さくなるに従って、等曲率振幅に関する制約がどのように弱まるかの関数的形は何か？

主な発見

• 原始的ブラックホールは、曲率や密度摂動とは独立して、大規模なCDM等曲率摂動から形成可能であり、妥当な形成メカニズムを提供する。
• 新規のマッチド摂動法により、特定の背景宇宙論を仮定せずに、PBH豊度の堅牢な計算が可能になる。
• 観測によるPBH豊度制約は、広範なスケールにわたるCDM等曲率摂動の振幅に関するモデルに依存しない限界に翻訳可能である。
• 原始等曲率摂動の典型的な振幅に関する制約は、スケールが小さくなるに従って弱まるが、その弱まり方はわずかに線形よりゆっくりである。
• 制約のスケール依存性から、小スケールの等曲率モードは従来の予想よりもきめ細かく制約されていることが明らかになったが、その弱まり方は線形より緩やかである。
• 本手法は、CDM等曲率モデルをPBH観測と照合するためのフレームワークを提供し、初期宇宙物理学の新たなプローブを提供する。