[论文解读] Hot Gravitons and Gravitational Waves From Kerr Black Holes in the Early Universe

Dan Hooper, Gordan Krnjaic+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 46

一句话总结

论文研究一个早期宇宙情景，其中形成一群低质量原初黑洞，在蒸发之前发生合并，且 Kerr（旋转）黑洞发出富含引力子的霍金辐射谱并产生随机引力波背景，这些信号有望通过未来的CMB和GW观测到。

ABSTRACT

Any abundance of black holes that was present in the early universe will evolve as matter, making up an increasingly large fraction of the total energy density as space expands. This motivates us to consider scenarios in which the early universe included an era that was dominated by low-mass ($M < 5 imes 10^8$ g) black holes which evaporate prior to primordial nucleosynthesis. In significant regions of parameter space, these black holes will become gravitationally bound within binary systems, and undergo mergers before evaporating. Such mergers result in three potentially observable signatures. First, any black holes that have undergone one or more mergers will possess substantial angular momentum, causing their Hawking evaporation to produce significant quantities of high-energy gravitons. These products of Hawking evaporation are predicted to constitute a background of hot ($\sim$eV-keV) gravitons today, with an energy density corresponding to $ΔN_{ m eff} \sim 0.01-0.03$. Second, these mergers will produce a stochastic background of high-frequency gravitational waves. And third, the energy density of these gravitational waves can be as large as $ΔN_{ m eff} \sim 0.3$, depending on the length of time between the mergers and evaporation. These signals are each potentially within the reach of future measurements.

研究动机与目标

• 激发并分析一个由低质量原初黑洞主导、在大爆炸核合成（BBN）之前蒸发的早期宇宙场景。
• 表明合并会产生Kerr黑洞，其霍金辐射富含引力子，从热引力子中提升ΔN_eff。
• 证明黑洞合并产生高频引力波背景，贡献ΔN_eff，且有可能被未来探测器探测。
• 量化在何种参数空间（BH质量、合并时机、速度色散）下可观测到 ΔN_eff 信号。
• 提供一个将BH形成、结合、合并与蒸发与可观测的宇宙学信号联系起来的框架。

提出的方法

• 对旋转（Kerr）黑洞进行霍金蒸发建模，并与非旋转情况进行比较，聚焦角动量对高自旋粒子发射的影响。
• 计算双星捕获率、 inspiral 时间尺度，以及使 t_I < τ 以在蒸发前发生合并的条件。
• 计算黑洞合并产生的GW能量密度及通过宇宙膨胀红移和焓损失将其转化为 ΔN_eff,GW 的过程。
• 估算来自 Kerr BH 蒸发的引力子对 ΔN_eff 的贡献，强调自旋黑洞引力子产生的增强。
• 给出将初始 BH 质量 Mi、有效温度 Teff、捕获冻结时的哈勃率，以及 f_BH 与可观测 ΔN_eff 值联系起来的表达式。
• 勾画未来实验可及的参数空间区域，在这些区域中来自GW和热引力子的ΔN_eff 可观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自早期宇宙中一群合并并蒸发的 Kerr 黑洞群的可观测信号是什么？
• RQ2 黑洞自旋和合并如何改变霍金蒸发谱，尤其是引力子产生？
• RQ3 在何种条件下黑洞合并发生在蒸发之前，以及这些如何影响引力波和引力子遗留背景？
• RQ4 哪些 M_i、Teff 和 f_BH 的取值范围能使来自引力波和热引力子的 ΔN_eff 可观测？
• RQ5 预测的 ΔN_eff 信号能否缓解当前的宇宙学紧张问题（例如哈勃张力），同时与约束相一致？

主要发现

• 旋转黑洞对高自旋粒子的辐射比例更大，包括引力子，使霍金辐射中引力子分量相对于史瓦西黑洞在自旋历史不同的情况下大约增加1.5–3倍。
• 在蒸发前合并的黑洞群可以获得特征自旋 a_* ≈ 0.7，增强引力子产生和来自合并的GW背景。
• 合并产生随机高频GW背景，ΔN_eff,GW 可能高达约 0.3，取决于合并时机和黑洞支配历史，未来的CMB约束可能检测到。
• 来自 Kerr BH 蒸发的热引力子背景可以贡献 ΔN_eff,GW, graviton，且在某些参数选择下，来自所有发射引力子的总 ΔN_eff 可能显著。
• 研究确定了 Mi–Teff–f_BH–v–λ 参数空间中可行区域，在这些区域中来自 GW 和热引力子的 ΔN_eff 信号在下一代 CMB 实验和其他宇宙探测中具有灵敏度。
• 该框架将黑洞形成、束缚双星形成、合并与蒸发与宇宙学可观测信号联系起来，强调早期宇宙动力学与可检测的相对论背景之间的相互作用。