[论文解读] GW190425, GW190521 and GW190814: Three candidate mergers of primordial black holes from the QCD epoch

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

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 34

一句话总结

本文认为 GW190425、GW190521 和 GW190814 事件可以通过在密集晕中的潮汐捕获或早期宇宙双星形成所产生的具有 QCD 转变刻印质量分布的原初黑洞合并来解释，并讨论与暗物质约束的一致性。

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.. Moreover, the recent event GW190521 has black hole components with masses 67 and $91~M_\odot$, and therefore lies in the so-called pair-instability mass gap, where there should not be direct formation of stellar black holes. The possibility that all of these compact objects are Primordial Black Holes (PBHs) is investigated. The known thermal history of the Universe predicts that 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, GW190521 and GW190814 are consistent with PBH binaries formed by capture in dense halos in the matter era or in the early universe. 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

• 将 PBH 场景作为对质量处于较低质量间隙与较高质量间隙的意外 GW 事件的解释进行动机建立。
• 展示 QCD 时代 PBH 质量分布的特征：质子峰（~2–3 Msun）和π子峰（~30–50 Msun），以及它如何与观测质量相匹配。
• 评估 PBH 二进制形成通道（在密集晕中的潮汐捕获 vs 早期宇宙双星）是否能够在不违反现有约束的情况下再现观测的合并速率。
• 讨论对 PBH 暗物质情景及聚簇性要求以满足微透镜及其他限制的影响。

提出的方法

• 采用由 QCD 转变刻印的 PBH 质量分布，其在 2–3 Msun 处有质子峰，在 30–50 Msun 处有 π 子峰。
• 计算在密集晕中通过潮汐捕获形成的 PBH 二进制的合并速率分布：dτ/dln m1 dln m2 = R_clust. f(m1) f(m2) (m1+m2)^{10/7}/(m1 m2)^{5/7} yr^{-1} Gpc^{-3}。
• 通过形成时的泊松分布近邻关系探索早期宇宙双星形成：dτ/dln m1 dln m2 ≈ 1.6×10^6 Gpc^{-3} yr^{-1} f(m1) f(m2) f_sup × [(m1+m2)/Msun]^{-32/37}[(m1 m2)/(m1+m2)^2]^{-34/37}，并考虑抑制因子。
• 引入抑制因子 f_sup 和 f_PBH 以解释物质涨落、近邻 PBH 以及 PBH 聚簇对双星破坏的影响，并讨论它们对质量和 f_PBH 的依赖。
• 将预测速率与 GW190425、GW190814、GW190521 拟合以及与 LIGO/Virgo 限制进行比较，以评估 PBH 情景的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个由 QCD 转变刻印的 PBH 质量函数能否解释 GW190425、GW190814 和 GW190521 的质量？
• RQ2 在密集晕中通过潮汐捕获形成的 PBH 二进制或通过早期宇宙形成的 PBH 二进制能否产生与 LIGO/Virgo 观测和限制相符的合并速率？
• RQ3 为使 PBHs 与微透镜和其他天体物理约束保持一致，需要哪些聚簇性和抑制因子？
• RQ4 在不违反现有界限的前提下，PBHs 能否构成全部或显著比例的暗物质？

主要发现

• 具有 QCD 质子峰和 π 子峰的 PBH 质量分布能够得到与 GW190425、GW190814、GW190521 相符的分量质量。
• 在密集晕中形成的 PBH 二进制的合并速率在主质量大于 5 Msun、品质因子 q>0.2 的情况下大约可以达到 20 yr^{-1} Gpc^{-3}，当聚簇因子 R_clust ~ 400–450 时，与 GW190425、GW190521、GW190814 在 90% 置信区间内相符。
• 只有在足够强烈聚簇以避免微透镜及其他限制的条件下，PBHs 才能解释暗物质的显著部分甚至全部。
• 单独的早期宇宙双星不能在没有额外聚簇或通道考虑的情况下解释这三起事件及大质量速率。
• 在当前限制下，亚太阳质量 PBH 的合并速率与观测界限相容，预测速率可达到 O(10^3) yr^{-1} Gpc^{-3}，并且在考虑扩展质量函数与聚簇时仍与观测界限一致。