[论文解读] Stochastic gravitational-wave background from primordial black hole scenario after GW150914 and GW151226
本文利用Advanced LIGO对随机引力波背景的上限，对1–100 M⊙质量范围内的原初黑洞（PBHs）丰度进行约束，相比以往的微引力透镜和矮星系动力学约束，将限制精度提高了一个数量级。此外，该研究进一步预测，亚太阳质量的原初黑洞或可在未来的LIGO观测中被探测到。
Advanced LIGO's discovery of gravitational-wave events is stimulating extensive studies on the origin of binary black holes. Assuming that the gravitational-wave events can be explained by binary primordial black hole mergers, we utilize the upper limits on the stochastic gravitational-wave background given by Advanced LIGO as a new observational window to independently constrain the abundance of primordial black holes in dark matter. We show that Advanced LIGO's first observation run gives the best constraint on the primordial black hole abundance in the mass range $1 M_\odot \lesssim M_ ext{PBH}\lesssim 100 M_\odot$, pushing the previous microlensing and dwarf galaxy dynamics constraints tighter by 1 order of magnitude. Moreover, we discuss the possibility to detect the stochastic gravitational-wave background from primordial black holes, in particular from subsolar mass primordial black holes, by Advanced LIGO in the near future.
研究动机与目标
- 利用Advanced LIGO的引力波背景数据，约束1–100 M⊙质量范围内原初黑洞（PBH）的丰度。
- 通过利用GW150914和GW151226的新观测数据，改进基于微引力透镜和矮星系动力学的现有PBH约束。
- 评估未来LIGO观测中，原初黑洞产生的随机引力波背景，特别是亚太阳质量原初黑洞的可探测性。
提出的方法
- 利用Advanced LIGO首次运行期间测得的随机引力波背景上限，作为对PBH并合率的约束。
- 建立1–100 M⊙质量范围内由双星PBH并合产生的随机背景功率谱模型。
- 将PBH预测的引力波背景幅度与LIGO观测到的上限进行比较，从而推导出PBH丰度的排除限制。
- 将相同框架应用于亚太阳质量PBH，以评估其在未来的LIGO运行中潜在的可探测性。
- 整合PBH形成与演化过程中的天体物理和宇宙学约束，以确保背景模型的物理一致性。
实验结果
研究问题
- RQ1利用LIGO的随机背景数据，1–100 M⊙质量范围内原初黑洞丰度的最紧约束是什么？
- RQ2LIGO首次运行的结果如何改进了基于微引力透镜和矮星系动力学的先前约束？
- RQ3亚太阳质量原初黑洞产生的随机引力波背景，是否可能在未来由Advanced LIGO探测到？
主要发现
- Advanced LIGO首次运行提供了迄今为止最紧的1–100 M⊙质量范围内原初黑洞丰度约束，相比以往限制提高了整整一个数量级。
- 与微引力透镜和矮星系动力学得出的限制相比，基于随机背景的约束在相同质量范围内更为严格。
- 亚太阳质量原初黑洞产生的随机引力波背景，有望在未来的LIGO观测中被探测到。
- 该分析表明，引力波背景测量为原初黑洞暗物质模型提供了一种全新且强大的独立探测手段。
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