[论文解读] Seven Hints for Primordial Black Hole Dark Matter

Sébastien Clesse, J. García-Bellido|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Astronomy and Astrophysical Research被引用 15

一句话总结

本文提出，质量约为3倍太阳质量的原初黑洞（PBHs）可能构成全部或大部分暗物质，从而调和多种天体物理学观测。结合LIGO并合率以及微引力透镜、星系动力学和宇宙微波背景辐射的限制，该研究重建了一个峰值位于~3 M☉的宽广PBH质量函数，该函数避开了现有限制，并解释了关键的宇宙学难题。

ABSTRACT

Seven observations point towards the existence of primordial black holes (PBH), constituting the whole or an important fraction of the dark matter in the Universe: the mass and spin of black holes detected by Advanced LIGO/VIRGO, the detection of micro-lensing events of distant quasars and stars in M31, the non-detection of ultra-faint dwarf satellite galaxies with radius below 15 parsecs, evidences for core galactic dark matter profiles, the correlation between X-ray and infrared cosmic backgrounds, and the existence of super-massive black holes very early in the Universe's history. Some of these hints are newly identified and they are all intriguingly compatible with the re-constructed broad PBH mass distribution from LIGO events, peaking on PBH mass $m_{ m PBH} \approx 3 M_\odot$ and passing all other constraints on PBH abundances. PBH dark matter also provides a new mechanism to explain the mass-to-light ratios of dwarf galaxies, including the recent detection of a diffuse galaxy not dominated by dark matter. Finally we conjecture that between 0.1% and 1% of the events detected by LIGO will involve a PBH with a mass below the Chandrasekhar mass, which would unambiguously prove the existence of PBH.

研究动机与目标

• 调和多个独立的天体物理学观测结果，这些结果暗示原初黑洞（PBHs）是暗物质。
• 基于LIGO并合率和所有现有观测限制，重建一个与之相容的PBH质量函数。
• 通过PBH主导的暗物质情景，解释长期存在的宇宙学难题，如核心-陡度问题、缺失卫星星系问题以及高红移超大质量黑洞问题。
• 识别出未来观测可检验的预测，以确认或排除PBH暗物质假说。

提出的方法

• 利用LIGO/Virgo并合率并假设PBH构成全部暗物质，重建PBH质量函数，采用以~3 M☉为中心的对数正态分布。
• 应用两种团块模型：主导团块尺度（DCS）和扩展晕质量函数（Ext-HMF），以估算不同PBH晕环境下的并合率。
• 重新评估微引力透镜（如M31、大麦哲伦云）、X射线和射电背景辐射、CMB各向异性和矮星系动力学的限制，以检验其与宽广PBH质量谱的一致性。
• 基于第一性原理的物理解释，表明在1–10 M☉范围内的PBH即使在先前被排除的情况下，依然具有可行性。
• 分析红移z=0.9–2.4的高红移星系的旋转曲线，推断PBH的团块化及通过分层吸积导致的晕增长。
• 推测0.1–1%的LIGO事件涉及低于钱德拉塞卡质量的PBH，若被证实，将提供明确的检测证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从LIGO并合率重建一个宽广的PBH质量函数，且其仍与所有现有天体物理学和宇宙学限制相容？
• RQ2 黑洞并合事件、微引力透镜事件以及星系旋转曲线的观测特性是否共同支持暗物质起源于PBH？
• RQ3 PBH能否解释星系中观测到的类似核心的暗物质分布，以及在15 pc以下缺失超暗矮星系卫星的现象？
• RQ4 是否存在一种物理解释，使PBH能作为早期超大质量黑洞的种子，并解释红移z≈17处的21厘米信号？
• RQ5 在LIGO事件中，有多少比例涉及低于钱德拉塞卡质量的PBH？这一比例如何作为决定性检验手段？

主要发现

• 重建的PBH质量函数，峰值约为3 M☉，与观测到的LIGO并合率一致，且处于PBH丰度允许的范围内。
• 在采用改进的物理建模重新评估后，尽管先前受到微引力透镜和X射线背景的限制，1–10 M☉范围内的宽广PBH质量分布依然可行。
• PBH-DM情景自然解释了星系中观测到的类似核心的暗物质分布，以及在15 pc以下缺失超暗矮星系卫星的现象。
• 具有衰减旋转曲线的高红移星系（z=0.9–2.4）与PBH在晕中团块化并通过分层吸积增长一致，导致形成‘更肥大’的晕。
• 检测到一颗起源于星系核球或大犬座星流的超高速星，可能由原初中等质量黑洞或PBH双星解释，支持PBH团块化。
• 本文推测，LIGO事件中0.1%至1%涉及低于钱德拉塞卡质量的PBH，若被证实，将提供PBH暗物质的明确证据。