[论文解读] Scrutinizing the Primordial Black Holes Interpretation of PTA Gravitational Waves and JWST Early Galaxies

Yann Gouttenoire, Sokratis Trifinopoulos+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 18

一句话总结

该论文测试超大质量的原初黑洞（PBH）是否能共同解释PTA引力波背景与JWST的早期大质量星系，发现大多数基于PBH的解释与UV光度函数和大尺度结构约束不兼容；仅在极端原初非高斯性下才可能保留一个窄的种子型JWST兼容区域。

ABSTRACT

Recent observations have granted to us two unique insights into the early universe: the presence of a low-frequency stochastic gravitational wave background detected by the NANOGrav and Pulsar Timing Array (PTA) experiments and the emergence of unusually massive galaxy candidates at high redshifts reported by the James Webb Space Telescope (JWST). In this letter, we consider the possibility that both observations have a common origin, namely primordial black holes (PBHs) in the mass range between $10^{6}~M_{\odot}$ and $10^{13}~M_{\odot}$. While superheavy PBHs act as seeds for accelerated galaxy formation capable of explaining the JWST extreme galaxies, they can also form binary mergers that source gravitational waves which can be potentially identified as the PTA signal. The analysis is performed taking into account the constraints on the relevant region of the PBH parameter space including the novel bound imposed by the Ultraviolet Luminosity Function of galaxies observed by the Hubble Space Telescope. We conclude that PTA's and JWST's interpretations in terms of PBH binary mergers and Poissonian gas of PBHs, respectively, are strongly excluded.

研究动机与目标

• 评估质量范围在 10^6–10^13 太阳质量的 PBHs 是否能通过 PBH 双星解释 PTA GW 背景。
• 评估 PBHs 是否能播下高红移 JWST 观测到的巨型星系的快速形成种子。
• 纳入来自 UV 星系光度函数（HST UV LF）、大尺度结构及其他界限的约束。
• 将基于 PBH 的解释与环境因素和非高斯性考虑进行比较，以确定可行的参数空间。

提出的方法

• 用分段律拟合 Omega_GW(h^2) 来表征来自 PBH 双星的 GW 能量密度，并在 PBH 双星的 f_peak ~ 5000 M_sun/M_PBH 处给出峰值。
• 使用泊松项 P_iso(k) 及截断 k_cut，计算 PBH 引起的物质本征不规则性贡献到质量功率谱，并通过带有顶帽窗的 Sheth-Tormen 预测晕质量函数。
• 对 PTA 数据（NANOGrav 12.5-year 和 IPTA DR2）进行贝叶斯分析，以推导 PBH 质量 M_PBH 与丰度 f_PBH 的后验分布。
• 通过泊松和种子效应纳入 JWST 时代的星系形成，以评估 PBHs 在 z~8 能否产生观测到的巨大星系。
• 施加来自 HST 数据的 UV LF 约束以限制 PBH 引起的等尺度扰动，并与 LSS/动态摩擦约束进行比较。）],
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实验结果

研究问题

• RQ1 质量在 10^6–10^13 M_sun 范围的超大PBH是否能通过双星合并来解释 NANOGrav/PTA 随机 GW 背景？
• RQ2 PBHs 能否高效地播下或增强早期星系形成以解释 JWST 的高-z 巨大星系？
• RQ3 来自 HST UV 光度函数、大尺度结构和 μ-失真界限对 PBH 参数空间（M_PBH, f_PBH）施加了哪些约束？
• RQ4 是否存在一个 PBH 参数空间区域，能同时拟合 PTA 与 JWST 观测且不违反约束，并在何种非高斯性条件下？

主要发现

• 通过 PBH 双星合并解释 PTA 的解读被 UV LF 约束强烈排除，并受大尺度结构界限制约。
• 通过 PBH 泊松涨落提升早期星系的 JWST 解释也被 UV LF 和结构形成限制所排除。
• 一个窄区域，10^8 ≤ M_PBH/M_sun ≤ 10^9 且 f_PBH ~ 10^-2，能够在 90% 置信水平下兼容解释 PTA 与 JWST 信号，但该区域受到 UV LF 和环境因素的严格约束。
• 来自 HST 数据的 UV LF 界限对该质量范围 PBH 的约束比先前的大尺度结构界限更严格。
• PBH 播下 JWST 类星系在 f_PBH ≲ 10^-3 时仍可能成立，前提是假设极大原初非高斯性（p ≲ 0.5），否则将被排除。
• 说明指出聚簇情形可能规避某些约束，但在更为激进的 k_cut 选择下仍然具有挑战性。