[论文解读] Revisiting Primordial Black Holes Constraints from Ionization History

Benjamin Horowitz|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 12

一句话总结

本文利用宇宙微波背景（CMB）数据，重新审视了原初黑洞（PBHs）作为暗物质候选者的约束，重点关注吸积过程对电离历史的影响。研究发现，即使考虑了超音速流动（supersonic streaming）导致吸积效率降低、从而削弱先前约束的情形，质量约为30 M☉的PBHs也难以构成超过10%的暗物质。

ABSTRACT

Much attention has been drawn to the recent discoveries by the Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) of merging intermediate mass black holes. Of particular interest is the possibility that the merger events detected could be evidence of dark matter in the form of primordial black holes (PBHs). It has been argued that the presence of many black holes would effect the thermal and ionization history of the universe via their accretion of matter which would have strong signatures in the Cosmic Microwave Background's (CMB) power spectra evident in the damping of anisotropies and change in low-$l$ polarization power. In general the accretion is quite sensitive to the specific physics involved and the conditions of the early universe. In this work, we take a minimal approach and find constraints on PBHs not including the model dependent effects of nonlinear structure of formation or transition between different accretion models which would work to increase the effect. In addition, we include the relative velocity between dark matter and baryonic matter including the effects of supersonic streaming at high redshift which work to significantly reduce the constraining power. We also examine the constraints on more astrophysically-motivated extended black hole mass functions and discuss how mergers might effect this distribution. We find constraints on PBHs in the range $ \approx 30 M_\odot$, finding that they could not compose more than $10\%$ of the total dark matter content.

研究动机与目标

• 利用CMB中的电离历史效应，独立于依赖模型的吸积物理，重新评估原初黑洞（PBHs）作为暗物质的约束。
• 评估高红移时暗物质与重子之间相对运动导致的超音速流动对吸积效率的影响，及其对CMB基约束的削弱作用。
• 在更符合天体物理的扩展PBH质量函数下评估约束，而非采用单峰质量分布。
• 评估合并过程在早期PBH种群演化至LIGO质量范围中的作用。
• 基于当前CMB数据，提供一种保守的、最小模型的PBH约束，避免对非线性结构形成或复杂反馈模型的假设。

提出的方法

• 采用基于Bondi吸积的最小吸积模型，假设能量沉积到星际介质（IGM）的效率较低，从而避免非线性结构形成的影响。
• 在高红移时引入暗物质与重子之间的相对速度，通过建模超音速流动来降低吸积效率。
• 采用改进的能量沉积模型，计算IGM中电离分数的变化，使用来自暗物质湮灭/衰变研究的最新处理方法。
• 计算CMB功率谱的变化，特别是各向异性的阻尼和低ℓ极化，以推导约束。
• 对Planck CMB数据执行Fisher矩阵分析，推导PBH丰度的95%置信度上限（两倍标准差）。
• 同时考虑单峰和扩展质量函数，后者基于天体物理形成机制的物理动机。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMB约束在多大程度上排除了30 M☉原初黑洞作为主导暗物质组分的可能性？
• RQ2 暗物质与重子之间的超音速流动如何影响吸积效率，从而影响基于CMB的PBH约束？
• RQ3 当采用扩展质量函数而非单峰质量分布时，PBH的约束条件如何变化？
• RQ4 PBH是否能通过吸积或合并过程演化至LIGO质量范围，从而形成可探测的并合事件？
• RQ5 当前CMB测量与其它探针（如微引力透镜、矮星系加热）相比，在约束PBH方面有何差异？

主要发现

• 基于CMB电离历史的约束，质量约为30 M☉的PBHs不能构成超过总暗物质含量10%的部分。
• 超音速流动显著降低了吸积效率，与忽略该效应的早期研究相比，约束明显减弱。
• 对于30 M☉ PBHs，CMB约束为 f_pbh ≤ 0.09，该结果与微引力透镜（f_pbh ≈ 0.5）和矮星系加热（f_pbh ≈ 0.2）的约束一致，但更为严格。
• 若考虑非线性结构形成或更强的反馈效应，约束将更加严格，但即使在当前保守模型下，已足以排除PBH占主导的可能。
• 宇宙演化过程中吸积贡献可忽略不计——PBH从再组合时期至今仅增长约10⁻⁸ M☉，因此显著增长的可能性极低。
• PBH的并合率极低（<1000 Gpc⁻³ yr⁻¹），因此仅靠早期双星PBH的并合难以演化至LIGO质量范围。