[论文解读] Supermassive primordial black holes in multiverse: for nano-Hertz gravitational wave and high-redshift JWST galaxies

H. X. Huang, Yong Cai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 34

一句话总结

本论文提出一种多宇宙原始黑洞形成机制，在慢滚膨胀过程中靠近相邻真空时产生的超临界气泡导致多峰的质量谱，包括可达约 ~10^11 太阳质量的超大 PBH，可能解释纳赫兹引力波信号的线索以及早期 JWST 星系。

ABSTRACT

Recently, observational hints for supermassive black holes have been accumulating, which has inspired ones to wonder: Can primordial black holes (PBHs) be supermassive, in particular with the mass $M\gtrsim 10^{9}M_\odot$? A supercritical bubble (with an inflating baby universe inside it) that nucleated during inflation can develop into a PBH in our observable Universe. Here, we find that when the inflaton slowly passes by a neighboring vacuum, the nucleating rate of supercritical bubbles would inevitably attain a peak, so the mass distribution of multiverse PBHs, and the mass of peak can be up to $M\gtrsim 10^{11}M_\odot$. Thus our mechanism naturally provides a primordial origin of supermassive BHs.

研究动机与目标

• 存在超大原始黑洞（PBHs）的存在及其与纳赫兹引力波和高 redshift JWST 星系的潜在关联的动机。
• 引入一个具有相邻真空的慢滚膨胀模型，该模型提高了超临界气泡的成核速率。
• 证明由此产生的 PBH 质量谱可以具有峰值，质量约为 M ~ 10^11 M_sun，并讨论观测意义。

提出的方法

• 用两个场势 V(phi1, phi2) 描述的作用量来模拟炎坎（inflaton）动力学，其中 phi1 在 V_inf 进行慢滚，而在 (phi2, phi1) ~ (phi2,F, phi1,*) 处存在 V_b < V_inf 的邻近真空。
• 使用薄壁近似估算泡沫在每个哈勃时空体积中的成核率，λ ~ e^{-B}，B ~ 2π^2 σ / H_i^3，σ 通过沿着尽量小 σ 路径的路径积分来近似。
• 将泡沫大小与哈勃尺度和膨胀联系起来，推导 PBH 质量 M ~ H_i r_i^2 M_P^2，进而得到 M ~ M_P^2/H_i e^{2N}，在最简单的情形下质量谱满足 f(M) ∝ M^{-1/2}。
• 推导 B_* 作为基线并展示当炎坎滚动（Δφ1）通过 B ≈ B_* sqrt(1 + (Δφ1^2/φ2,F^2)) 调整 B。
• 探索不同的慢滚势 V_inf（包括幂律型与 KKLT 启发形式）如何塑形峰结构 f(M) 及其对 N_* 与模型参数的依赖。
• 提供定性讨论，将峰值质量与观测信号联系起来，以及弦景观中可能的多峰谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原始过程期间，是否能够形成 M ≥ 10^9 M_sun 的超大原始黑洞？
• RQ2 具有相邻真空的慢滚膨胀是否会产生具有峰值的多宇宙 PBH 质量谱，峰值可达到 M ~ 10^11 M_sun？
• RQ3 所得到的 PBH 族群是否可解释纳赫兹引力波信号以及 JWST 观测到的早期大质量星系？
• RQ4 不同的膨胀势（如 V ∝ φ^p、KKLT 型）如何影响 PBH 质量谱中的峰值质量与高度？

主要发现

• 当炎坎穿过邻近真空时泡核成核率被增强，产生了具有峰值的多宇宙 PBH 质量谱。
• 在合理的慢滚条件下，峰值质量可达到 M ≳ 10^{11} M_sun，自然地提供超大质量 PBH。
• 在简单情形下，PBH 质量谱大致满足 f(M) ∝ M^{-1/2}，峰值位置由 N_* 与膨胀势决定。
• 不同的慢滚模型（包括混沌类 φ^p 与 KKLT 启发形式）在绘示的示例中产生了不同的多峰谱。
• 所提出的多宇宙 PBHs 可能成为早期超大质量黑洞的种子，并有望解释纳赫兹 GW 背景和 JWST 检测到的高 redshift 大质量星系。
• 多峰谱潜在地编码了关于慢滚膨胀和弦理论真空的信息。