[論文レビュー] Primordial black holes in the Dark Ages: Observational prospects for future 21cm surveys

Katherine J. Mack, Daniel Wesley|ArXiv.org|May 11, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 20被引用数 28

ひとこと要約

本稿では、質量 $5\times10^{10}$–$10^{14}$ kg の原始ブラックホール（PBHs）が、ホーキング放射によって高赤方偏移銀河間媒体（IGM）の21cm信号に与える影響を調査する。将来の21cm調査は、現在のガンマ線背景限界よりも、特に最終蒸発段階における特徴的な輝度温度の特徴により、PBHをより効果的に検出または制約できることを示している。

ABSTRACT

We consider the signatures of a population of primordial black holes (PBHs) in future observations of 21cm radiation from neutral hydrogen at high redshift. We focus on PBHs in the mass range $5 imes 10^{10} kg \lesssim M_{PBH} \lesssim 10^{14} kg$, which primarily influence the intergalactic medium (IGM) by heating from direct Hawking radiation. Our computation takes into account the black hole graybody factors and the detailed energy dependence of photon and e+/- absorption by the IGM. We find that for black holes with initial masses between $5 imes 10^{11} kg \lesssim M_{PBH} \lesssim 10^{14} kg$, the signal mimics that of a decaying dark matter species. For black holes in the range $5 imes 10^{10} kg \lesssim M_{PBH} \lesssim 5 imes 10^{11} kg$, the late stages of evaporation produce a characteristic feature in the 21cm brightness temperature that provides a unique signature of the black hole population. If no signal is observed, then 21cm observations will provide significantly better constraints on PBHs in the mass range $5 imes 10^{10} kg \lesssim M_{PBH} \lesssim 10^{12} kg$ than are currently available from the diffuse $γ$-ray background.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBHs）がダークエイジス期に21cm信号に与える影響を、質量範囲 $5\times10^{10}$–$10^{14}$ kg において検出可能かどうかを評価すること。
• エネルギー依存の光子および $e^{\pm}$ 吸収を考慮した、PBHからのホーキング放射によるIGMの加熱をモデル化すること。
• 非検出制約の文脈において、将来の21cm調査のPBH集団への感受性を評価すること。
• 高スペクトル的・赤方偏移分解能を備えた、PBH蒸発、IGM放射輸送、21cm信号の時間発展をシミュレートする計算フレームワークを構築すること。
• 21cm観測から得られるPBH制約を、特に低質量PBHに対して、既存の拡散ガンマ線背景からの限界と比較すること。

提案手法

• ブラックホール熱力学に由来するグレイボディ因子を用いて、PBHのホーキング放射スペクトルをモデル化し、IGM内でのエネルギー依存の放射および吸収を考慮する。
• 光子および電子・陽電子対生成を含めた、IGMへのエネルギー損失率を計算し、エネルギー依存の吸収断面積を適用する。
• PBH加熱下でのIGMの熱的発展をシミュレートし、力学的温度 $T_K$ およびスピン温度 $T_S$ の変化を追跡することで、21cm輝度温度に与える影響を評価する。
• 赤方偏移の関数として、スカイ平均21cm輝度温度および揺らぎパワースペクトルを計算し、PBH由来の加熱効果を組み込む。
• RECFASTコードの修正版を用いて、IGMの熱的およびイオン化歴を進化させ、ヘリウム割合およびエネルギー注入率の定義を一貫させる。
• エネルギー注入率の定義を一貫させ（単位質量あたり）、RECFASTとFurlanettoら（2006年）とのヘリウム割合の差を補正することで、数値的一致性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量範囲 $5\times10^{10}$–$10^{14}$ kg のPBHが、ダークエイジス期における21cm輝度温度およびパワースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 最終段階のPBH蒸発に起因する21cm信号の特徴的なピークは、将来の21cm調査で検出可能か？
• RQ3 21cm観測によるPBHの豊度制約は、既存の拡散ガンマ線背景からの限界と比較して、どの程度厳密か？
• RQ4 エネルギー依存の吸収およびグレイボディ因子は、21cm背景におけるPBH信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 非検出の文脈において、特に非検出の文脈で、異なる質量関数を持つPBHに対する21cm調査の感受性はいかほどか？

主な発見

• 質量 $5\times10^{11}$ kg から $10^{14}$ kg のPBHでは、ホーキング放射による持続的加熱のため、21cm信号が崩壊するダークマター種のものと類似する。
• 質量 $5\times10^{10}$ kg から $5\times10^{11}$ kg の範囲では、PBHの最終蒸発に起因する特徴的で一時的な21cm輝度温度のピークが生じ、独自の観測的特徴となる。
• 将来の21cm調査は、$M_{\textrm{PBH}}\sim 5\times10^{10}$ kg においてPBHのエネルギー密度を $\Omega_{\textrm{PBH}}\lesssim 10^{-12}$ まで制約可能であり、現在のガンマ線背景限界を上回る。
• 特に低エネルギーのエネルギー注入に対しては、CMBに比べて21cm信号がIGM加熱に対してより感受性が高く、衝突およびLy-α結合による $T_K$ と $T_S$ の直接的結合に起因する。
• 21cm輝度温度に特徴的なピークが非検出であった場合、特に低質量PBHに対して、鋭いPBH質量関数の制約が強く得られる可能性がある。
• 本研究では、エネルギースペクトルが既知であれば、ダークマター崩壊や対消滅などの他の異常物理現象の研究にも応用可能な検証済みの計算フレームワークを提供している。