[论文解读] Exclusion of the remaining mass window for primordial black holes as the dominant constituent of dark matter

Paolo Pani, Abraham Loeb|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文表明，质量范围为10^17–10^24 g的原初黑洞（PBHs）因被中子星通过引力捕获，导致在高角动量的恒星模态中能量沉积而迅速瓦解，因此被排除为暗物质的主要组分。该分析基于粘性和壳层弹性的能量损失正则化方法，设定了新的约束条件：暗物质密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3，从而缩小了PBH的质量窗口，并结合现有限制，排除了其作为主要暗物质组分的可能性。

ABSTRACT

In a close encounter with a neutron star, a primordial black hole can get gravitationally captured by depositing a considerable amount of energy into nonradial stellar modes of very high angular number $l$. If the neutron-star equation of state is sufficiently stiff, we show that the total energy loss in the point-particle approximation is formally divergent. Various mechanisms -including viscosity, finite-size effects and the elasticity of the crust- can damp high-$l$ modes and regularize the total energy loss. Within a short time, the black hole is trapped inside the star and disrupts it by rapid accretion. Estimating these effects, we predict that the existence of old neutron stars in regions where the dark-matter density rho_{DM}>10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 (where sigma is the dark-matter velocity dispersion) limits the abundance of primordial black holes in the mass range 10^{17} g < m_{PBH} < 10^{24} g, which was previously unconstrained. In combination with existing limits, our results suggest that primordial black holes cannot be the dominant dark matter constituent.

研究动机与目标

• 研究质量范围为10^17–10^24 g的原初黑洞（PBHs）是否可构成主导暗物质组分。
• 评估PBHs通过在高阶非径向恒星模态中沉积能量，捕获并破坏中子星的可行性。
• 通过分析在高暗物质密度区域中古老中子星的存活情况，确定PBH丰度的观测约束。
• 通过粘性与壳层弹性等物理机制，正则化点粒子近似中形式发散的能量损失。

提出的方法

• 通过高角数l的非径向恒星振荡，模拟原初黑洞在接近中子星时的能量损失。
• 在点粒子近似下计算总能量损失，该近似在刚性状态方程下形式上发散。
• 引入物理正则化机制——粘性、有限尺寸效应和壳层弹性——以抑制高l模态，使能量损失有限化。
• 基于能量损失和恒星结构参数，估算PBH捕获与瓦解的时间尺度。
• 利用在暗物质密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 区域中古老中子星的观测存活情况，约束PBH丰度。
• 将推导出的约束与现有观测限制相结合，评估PBH作为主导暗物质的总体可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量范围为10^17–10^24 g的原初黑洞是否因在高l恒星模态中沉积能量而被中子星捕获？
• RQ2 在刚性中子星状态方程下，点粒子近似中的形式发散能量损失是否能通过现实物理效应（如粘性与壳层弹性）实现物理正则化？
• RQ3 基于中子星存活情况，排除该质量范围内PBH作为主导暗物质组分所需的最小暗物质密度是多少？
• RQ4 粘性、有限尺寸效应和壳层弹性如何影响PBH的总能量损失与捕获时间尺度？
• RQ5 结合中子星存活约束与现有限制，能否排除PBH作为主导暗物质组分？

主要发现

• 在点粒子近似中，刚性中子星状态方程下的总能量损失形式上发散，但粘性与壳层弹性等物理机制可有效正则化该发散。
• 质量范围为10^17–10^24 g的PBHs因在高l模态中显著沉积能量，能高效被捕获并在短时间内瓦解中子星。
• 在暗物质密度 >10^2 sigma/(km/s) GeV/cm^3 的区域中，古老中子星的存活情况，排除了该质量范围内PBH作为主导暗物质组分的可能性。
• 基于中子星存活推导出的约束强于此前在10^17–10^24 g窗口内的限制，该窗口此前未受约束。
• 结合现有观测限制，结果表明原初黑洞不可能是暗物质的主要组分。