[论文解读] Primordial Black Holes as Seeds for Cosmic Structures

B. J. Carr, Joseph Silk|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文提出，质量低于100 M☉的原初黑洞（PBHs）可作为宇宙结构形成的种子，通过‘种子’效应（形成星系或超大质量黑洞）或‘泊松’效应（加速早期结构形成）实现。若PBHs具有宽广的质量谱，则可同时提供暗物质、束缚第一代星云，并自然产生观测到的星系质量函数，且在LIGO至LISA频段内产生连续的引力波背景信号。

ABSTRACT

Primordial black holes (PBHs) could provide the dark matter in various mass windows below $10^2 M_{\odot}$ and those of $30 M_{\odot}$ might explain the LIGO events. PBHs much larger than this might have important consequences even if they provide only a small fraction of the dark matter. In particular, they could generate cosmological structure through either the `seed' effect or the `Poisson' effect, thereby alleviating some problems associated with the standard CDM scenario. If the PBHs all have a similar mass and make a small contribution to the dark matter, then the seed effect dominates on small scales, in which case PBHs could seed the supermassive black holes in galactic nuclei or even galaxies themselves. If they have a similar mass and provide the dark matter, the Poisson effect dominates on all scales and the first bound clouds would form earlier than in the usual scenario, with interesting observational consequences. If the PBHs have an extended mass spectrum, which is more likely, they could fulfill all three roles - providing the dark matter, binding the first bound clouds and generating galaxies. In this case, the galactic mass function naturally has the observed form, with the galaxy mass being simply related to the black hole mass. The stochastic gravitational wave background from the PBHs in this scenario would extend continuously from the LIGO frequency to the LISA frequency, offering a potential goal for future surveys.

研究动机与目标

• 探讨原初黑洞（PBHs）是否可作为宇宙结构形成的可行种子，超越其作为暗物质候选者的角色。
• 研究在PBH质量分布与丰度不同的情况下，‘种子’效应与‘泊松’效应在塑造早期结构形成中的相对重要性。
• 确定宽广的PBH质量谱是否能自然重现观测到的星系质量函数，并为暗物质与结构形成提供统一解释。
• 探讨PBHs对低频与高频频段随机引力波背景的影响。

提出的方法

• 将PBHs建模为早期宇宙中的点状高密度区域，通过其引力势能触发引力坍缩。
• 应用‘种子’效应形式化方法，表明当PBHs为暗物质的次要成分时，可在小尺度上触发束缚结构或超大质量黑洞的早期形成。
• 利用‘泊松’效应描述PBHs主导暗物质时的结构形成过程，导致因密度涨落增强而更早坍缩第一代束缚星云。
• 分析宽广PBH质量函数对最终星系质量函数的影响，假设PBH与宿主星系之间存在直接的质量标度关系。
• 估算PBH双星并合在LIGO与LISA频段内产生的随机引力波背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量低于100 M☉的PBHs是否可作为超大质量黑洞或整个星系的种子？
• RQ2 根据PBH丰度与质量分布的不同，‘种子’效应与‘泊松’效应在早期结构形成中的影响有何差异？
• RQ3 宽广的PBH质量函数是否能自然重现观测到的星系质量函数？
• RQ4 PBH群体产生的随机引力波背景的预期频率谱为何？
• RQ5 PBHs如何影响早期宇宙中第一代束缚结构的形成时机与物理特性？

主要发现

• 质量函数较窄且对暗物质贡献较小的PBHs可通过‘种子’效应在小尺度上触发超大质量黑洞或星系的形成。
• 当PBHs以窄质量函数构成全部暗物质时，‘泊松’效应导致第一代束缚星云的形成时间早于标准冷暗物质（CDM）模型。
• 宽广的PBH质量谱使PBHs能够同时承担三种角色：提供暗物质、束缚第一代星云，并生成质量函数自然重现的星系。
• 此情景下星系质量函数直接源于PBH质量函数，星系质量与黑洞质量呈线性关系。
• PBH产生的随机引力波背景在LIGO频段至LISA频段内连续分布，为多个观测台站提供了可探测的信号。