[论文解读] GW190425 and GW190814: Two candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 6

一句话总结

本文提出，GW190425 和 GW190814 可能是原初黑洞（PBH）在强子-夸克相变时期合并的结果，该时期 PBH 的形成峰值出现在约 2 M⊙。观测到的并合率和质量与物质-辐射相等之前形成的 PBH 双星或致密星系晕中通过动力学捕获形成的 PBH 双星一致，若 PBH 足够致密聚集，则可能构成全部或部分暗物质。

ABSTRACT

The two recent gravitational-wave events GW190425 and GW190814 from the third observing run of LIGO/Virgo have both a companion which is unexpected if originated from a neutron star or a stellar black hole, with masses $[1.6-2.5]~M_\odot$ and $[2.5-2.7]~M_\odot$ and merging rates $ 460^{+1050}_{-360} $ and $ 7^{+16}_{-6}$ events/yr/Gpc$^3$ respectively, at 90\% c.l.. The possibility that these objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that the PBH formation is boosted at the time of the QCD transition, inducing a peak in their distribution at this particular mass scale, and a bump around $30-50~M_\odot$. We find that the merging rates inferred from GW190425 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos or before matter-radiation equality. At the same time, the rate of black hole mergers around $30~M_\odot$ and of sub-solar PBH mergers do not exceed the LIGO/Virgo limits. Such PBHs could explain a significant fraction, or even the totality of the Dark Matter, but they must be sufficiently strongly clustered in order to be consistent with current astrophysical limits.

研究动机与目标

• 探讨引力波事件 GW190425 和 GW190814 是否可能源自原初黑洞（PBH），而非中子星或恒星级黑洞。
• 评估这些事件的观测质量与并合率是否与强子-夸克相变期间 PBH 的形成一致。
• 在并合率与聚集的天体物理约束下，评估 PBH 作为暗物质候选者的可行性。

提出的方法

• 建模在强子-夸克相变期间增强的 PBH 质量函数，预测在 ~2 M⊙ 处出现峰值，并在 30–50 M⊙ 处出现次峰。
• 利用早期宇宙的热历史，计算强子-夸克相变时期 PBH 的形成率。
• 通过致密暗物质晕中的动力学捕获或物质-辐射相等之前原初聚集，估算 PBH 双星的并合率。
• 将预测的并合率与 LIGO/Virgo 在 90% 置信水平下的上限进行比较。
• 应用当前天体物理观测的约束，评估 PBH 要解释这些事件所需的聚集程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 GW190425 和 GW190814 的伴星质量能否由强子-夸克相变期间形成的原初黑洞解释？
• RQ2 GW190425 和 GW190814 的观测并合率是否与通过捕获或原初聚集形成的 PBH 双星一致？
• RQ3 对约 30 M⊙ 和亚太阳质量 PBH 并合率的推断是否超过 LIGO/Virgo 的观测上限？
• RQ4 PBH 是否可在满足当前天体物理约束的前提下，构成全部或部分暗物质？

主要发现

• GW190425 和 GW190814 伴星的观测质量，分别为 [1.6–2.5] M⊙ 和 [2.5–2.7] M⊙，与强子-夸克相变期间 PBH 形成的峰值一致。
• 推断的并合率分别为 460⁺¹⁰⁵⁰₋₃₆₀ 和 7⁺¹⁶₋₆ 事件/年/Gpc³，与通过致密星系晕中捕获或物质-辐射相等之前形成的 PBH 双星一致。
• 约 30 M⊙ 的 PBH 并合率以及亚太阳质量 PBH 的并合率未超过 LIGO/Virgo 的上限，支持其作为暗物质候选者的可行性。
• PBH 可能构成暗物质的显著部分甚至全部，但前提是它们必须足够致密聚集，以满足当前的天体物理约束。