[论文解读] Primordial Black Holes: from Theory to Gravitational Wave Observations

Gabriele Franciolini|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 13

一句话总结

本博士论文研究原初黑洞（PBHs）作为暗物质候选者的理论可行性，分析其形成机制、通过吸积和并合的演化过程，以及相关的引力波（GW）信号。论文在非高斯统计框架下计算PBH丰度，建立其引力波辐射模型，并将预测结果与LIGO/Virgo观测数据对比，预测未来探测器（如LISA和爱因斯坦望远镜）对PBH的探测能力。

ABSTRACT

Primordial Black Holes (PBH) can form in the early universe and might comprise a significant fraction of the dark matter. Interestingly, they are accompanied by the generation of Gravitational Wave (GW) signals and they could contribute to the merger events currently observed by the LIGO/Virgo Collaboration (LVC). In this thesis, we study the PBH scenario, addressing various properties at the formation epoch and the computation of abundance beyond the Gaussian paradigm, while also developing the theoretical description of PBH evolution through accretion and mergers, with particular focus on modelling their GW signatures. In a second part, we compare the primordial scenario with current GW data, seizing the possible contribution of PBH binaries to LVC signals and forecasting the potential of future GW detectors, such as Einstein Telescope and LISA, to detect mergers of primordial binaries and the stochastic GW background induced at second order by the PBH formation mechanism.

研究动机与目标

• 研究原初黑洞（PBHs）作为早期宇宙中暗物质组成部分的理论可行性。
• 将PBH丰度计算从高斯随机场范式扩展至非高斯初始条件。
• 在宇宙学背景下，通过吸积和双星并合动力学，模拟PBH的演化过程，重点关注其引力波（GW）辐射。
• 将PBH诱导的引力波信号与当前LIGO/Virgo观测结果对比，以约束PBH对并合事件的贡献。
• 预测未来引力波探测器——LISA和爱因斯坦望远镜——对PBH双星并合及二阶随机引力波背景的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用宇宙微扰理论，模拟原初密度涨落形成PBHs的过程。
• 应用高阶统计技术（如峰值理论与非高斯统计）在非高斯近似下计算PBH丰度。
• 建立群体合成框架，模拟PBH在宇宙学背景下的演化，包括吸积与并合动力学。
• 利用后牛顿近似与受数值相对论启发的波形，计算PBH双星的引力波信号。
• 建模由非线性曲率扰动在PBH形成过程中产生的二阶随机引力波背景。
• 通过贝叶斯比较方法，结合似然分析，将基于PBH的引力波模型与LIGO/Virgo数据进行对比，以约束PBH参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 当在形成模型中引入非高斯初始条件时，原初黑洞的预测丰度是多少？
• RQ2 吸积与动力学演化如何影响PBH群体在宇宙时空中并合率与引力波辐射？
• RQ3 PBH双星在多大程度上可以解释LIGO/Virgo合作组织观测到的引力波事件？
• RQ4 PBH形成过程中产生的二阶随机引力波背景的振幅与谱形特征如何？
• RQ5 未来探测器（如LISA与爱因斯坦望远镜）对探测PBH双星并合及关联的随机背景的灵敏度如何？

主要发现

• 非高斯初始条件显著改变PBH丰度预测，允许比高斯情形下更高的PBH生成率。
• PBH双星可对观测到的LIGO/Virgo并合率有显著贡献，约束结果支持PBH质量集中在10–100倍太阳质量范围内。
• PBH形成产生的二阶随机引力波背景可被未来探测器探测到，其信号强度取决于原初功率谱的振幅。
• 爱因斯坦望远镜与LISA预计对PBH双星并合具有高灵敏度，尤其针对中等质量PBH。
• 当前LIGO/Virgo数据未排除PBH作为主导暗物质组分的可能性，但对10–100倍太阳质量窗口内PBH占比设定了上限。
• 该模型预测了PBH特有的引力波信号，未来观测中可将其与恒星起源的黑洞双星区分开来。