[论文解读] Primordial Black Holes from CDM Isocurvature

Samuel Passaglia, Sasaki Misao|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出，原初黑洞（PBHs）可由早期宇宙中大尺度冷暗物质（CDM）等曲率扰动形成。通过在仅含物质的宇宙中采用一种新颖的匹配扰动方法，推导出在不同尺度上对CDM等曲率扰动的模型无关约束，表明扰动振幅的约束在小尺度上减弱的速度仅略慢于线性。

ABSTRACT

We show that primordial black holes can be produced from the collapse of large isocurvature perturbations of the cold dark matter. We develop a novel procedure to compute the resulting black hole abundance by studying matched perturbations of matter-only universes, and we use our procedure to translate observational constraints on black hole abundances into model-independent constraints on cold dark matter isocurvature perturbations over a wide range of scales. The constraint on the typical amplitude of the primordial perturbations weakens slightly slower than linearly on small scales.

研究动机与目标

• 研究原初黑洞（PBHs）如何由冷暗物质（CDM）组分中的大尺度原初扰动形成。
• 开发一种新方法，用于在不依赖特定宇宙学模型的前提下，计算来自CDM等曲率扰动的PBH丰度。
• 将观测到的PBH丰度约束转化为在广泛尺度范围内CDM等曲率扰动振幅的模型无关限制。
• 确定原初等曲率扰动振幅的约束如何随尺度演化，特别是在小尺度上的变化。

提出的方法

• 基于仅含物质的宇宙中的匹配扰动，提出一种新程序，用于模拟大尺度CDM等曲率扰动坍缩形成PBHs。
• 利用球对称坍缩模型，估算在辐射主导和物质主导宇宙中，由等曲率扰动引起的PBH形成阈值。
• 应用Press-Schechter形式化方法，根据扰动分布计算由此产生的PBH质量函数和丰度。
• 将观测到的PBH丰度约束转化为对CDM等曲率扰动原始功率谱的限制。
• 将分析扩展到从大尺度到小尺度的广泛范围，以评估约束的尺度依赖性。
• 推导出等曲率扰动振幅约束随尺度变化的标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞能否通过等曲率模式，由冷暗物质组分中的大尺度原初扰动形成？
• RQ2 如何在不同尺度上以模型无关的方式计算来自CDM等曲率扰动的PBH形成？
• RQ3 从PBH丰度限制中可得出的CDM等曲率扰动振幅的观测约束是什么？
• RQ4 等曲率扰动振幅的约束如何随尺度变化，特别是在小尺度上？
• RQ5 随着尺度减小，等曲率扰动振幅约束的减弱具有何种函数形式？

主要发现

• 原初黑洞可由大尺度CDM等曲率扰动形成，提供了一种独立于曲率或密度扰动的可行形成机制。
• 新颖的匹配扰动方法使得在不假设特定背景宇宙学模型的前提下，稳健计算PBH丰度成为可能。
• 对PBH丰度的观测约束可转化为在广泛尺度范围内CDM等曲率扰动振幅的模型无关限制。
• 原初等曲率扰动振幅的约束随尺度减小而减弱，但仅略慢于线性。
• 约束的尺度依赖性表明，小尺度等曲率模式的约束比以往认为的更为严格，尽管其减弱程度为次线性。
• 该方法为测试CDM等曲率扰动模型与PBH观测结果提供了框架，为早期宇宙物理提供了一种新的探测手段。