[论文解读] Primordial black holes and their gravitational-wave signatures

E. Bagui, Sébastien Clesse+18 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 31

一句话总结

本综述聚焦原始黑洞（PBHs）及其引力波信号，概述形成、演化、并合率，以及利用 LISA 的探测潜力，包括随机背景与与大尺度结构的相关性。

ABSTRACT

In the recent years, primordial black holes (PBHs) have emerged as one of the most interesting and hotly debated topics in cosmology. Among other possibilities, PBHs could explain both some of the signals from binary black hole mergers observed in gravitational wave detectors and an important component of the dark matter in the Universe. Significant progress has been achieved both on the theory side and from the point of view of observations, including new models and more accurate calculations of PBH formation, evolution, clustering, merger rates, as well as new astrophysical and cosmological probes. In this work, we review, analyse and combine the latest developments in order to perform end-to-end calculations of the various gravitational wave signatures of PBHs. Different ways to distinguish PBHs from stellar black holes are emphasized. Finally, we discuss their detectability with LISA, the first planned gravitational-wave observatory in space.

研究动机与目标

• 对PBH形成与演化机制进行跨通胀与非通胀模型的调查。
• 计算来自PBHs的端到端引力波信号，包括并合与随机背景。
• 评估PBH引力波在LISA的可检测性，并探索与恒星起源黑洞的区分特征。
• 讨论在引力波数据及其他探针下，关于PBH丰度的当前观测上限。

提出的方法

• 综合最近的PBH形成理论模型，包括单场与多场驱动的暴涨以及非暴涨机制。
• 纳入PBH质量分布、聚集与并合率计算的最新进展（早期与晚期双星）。
• 评估来自PBH情景的GW信号，包括单个并合、超圆相遇，以及二阶曲率诱导的背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 主要的PBH形成途径是什么，它们如何塑造质量与自旋分布？
• RQ2 PBH并合率与引力波信号如何依赖于形成、聚集以及天体环境？
• RQ3 哪些GW信号（单个事件、随机背景）可唯一区分PBHs与恒星起源黑洞？
• RQ4 在不同质量范围与红移下，PBH相关GW信号在LISA的可检测性？
• RQ5 与大尺度结构的相关性如何约束PBH丰度与情景？

主要发现

• PBHs可通过并合、超圆相遇以及二阶曲率诱导的背景，产生多样化的GW信号。
• LISA带宽（约毫赫兹）使得可探测PBH从10^3–10^4太阳质量的并合，到高红移及潜在亚日地质量分支。
• 近期建模进展将PBH形成、聚集与并合率与具体GW观测量及幅值联系起来。
• GW数据与大尺度结构的相关性提供约束PBH丰度的途径。
• 来自PBH相关扰动的随机GW背景可能在LISA可探测范围，取决于PBH总体分布。
• 本综述提出一个动态框架，定期每两年更新以跟踪PBH GW信号的快速进展。