[论文解读] A Faster Growth of Perturbations in an Early Matter Dominated Epoch: Primordial Black Holes and Gravitational Waves

Subinoy Das, Anshuman Maharana+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 99被引用 8

一句话总结

本文提出了一种早期物质主导时期中宇宙涨落超快速增长的场景，其驱动力是暗费米子之间通过标量场传递的吸引力。该机制使涨落以 δ(t) ∼ a(t)^s 的形式增长，其中 s > 10，从而高效形成亚月球质量的原初黑洞（PBHs），并产生从 10⁻³ Hz 到 10¹⁵ Hz 的宽频带引力波。

ABSTRACT

We present a scenario for fast growth of cosmological perturbations; $\delta(t) \sim a(t)^s$, $a(t)$ being the scale factor, with $s > 10$ for the numerical examples reported in this article. The basic ingredients of the scenario are an early matter dominated era and the dark fermion which experiences a scalar mediated force during the epoch. Both of these arise in string/supergravity models. The fast growth occurs for sub-horizon density perturbations of the dark fermion. The fast growth has a rich set of phenomenological implications. We outline implications for the formation of primordial black holes and the production of gravitational waves. Primordial black holes in the sub-lunar mass range (which are ideal dark matter candidates) can be produced. Gravitational waves can be produced in a wide range of frequencies due to second order scalar perturbations and due to evaporation and merger of primordial black holes.

研究动机与目标

• 解释在物质主导时期中，宇宙涨落增长速度超越标准线性增长的机制。
• 探讨此类快速增长对原初黑洞（PBH）形成与引力波（GW）产生的现象学影响。
• 证明在该机制下，亚月球质量的原初黑洞——理想的暗物质候选者——可被高效产生。
• 表明由于二阶标量涨落与PBH动力学，引力波可在宽频率范围内生成。

提出的方法

• 引入一个隐藏 sector 的费米子（ψ），通过一个具有质量的标量场（φ）与能量-动量张量的迹成比例的耦合进行相互作用。
• 以振荡模或类似场驱动的早期物质主导（EMD）时期来建模背景动力学。
• 分析在标量场介导的吸引力作用下，ψ 流体的子视界涨落。
• 采用现象学方法参数化时间依赖的耦合，假设从 wψ = 1/3 到 wψ = 0 的转变以触发该力。
• 数值求解背景与涨落的耦合运动方程，以证明 s > 10 的增长指数。
• 估算由快速增长的密度涨落坍缩形成的PBHs，以及由标量涨落与PBH并合/蒸发过程产生的引力波。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期物质主导宇宙中，涨落能否比 δ ∝ a(t) 增长得更快？
• RQ2 暗费米子之间通过标量场介导的力在何种条件下会导致密度涨落的超线性增长？
• RQ3 该快速增长机制能否产生亚月球质量范围的原初黑洞？
• RQ4 在此场景中，通过二阶标量涨落与PBH动力学产生的引力波的频率谱是什么？
• RQ5 弦理论或超引力模型如何自然实现所需的早期物质主导与标量场介导的相互作用？

主要发现

• 在数值示例中，涨落以 δ(t) ∼ a(t)^s 的形式增长，其中 s > 10，远快于标准的 δ ∝ a(t) 增长。
• 由于密度涨落的快速增长，可高效产生亚月球质量的原初黑洞（PBHs）。
• 由于二阶标量涨落与PBH并合/蒸发过程，引力波在从 10⁻³ Hz 到 10¹⁵ Hz 的宽频率范围内被产生。
• 该机制可在弦论/超引力模型中自然实现的物理可行设定下运行，包括早期物质主导与标量场介导的力。
• 快速增长由非相对论性暗费米子之间在EMD时期产生的、强于引力的吸引力驱动。
• 该模型与大爆炸核合成约束一致，因为EMD时期在高于 ∼3 MeV 的再加热中结束。