[论文解读] The hunt for sub-solar primordial black holes in low mass ratio binaries is open

K. S. Phukon, G. Baltus+8 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 20

一句话总结

本研究利用LIGO/Virgo O2数据，扩展了对次太阳质量原初黑洞（PBH）并合事件的搜寻，聚焦于质量比低的双星系统，其中一子星质量低于1 M⊙，主星质量高于2 M⊙。尽管识别出四个误报率较低的候选事件，但未发现具有统计显著性的探测结果；然而，基于零结果推导出的并合率上限仍允许在~2–3 M⊙处由QCD相变诱导的峰值模型中，PBH占全部暗物质的100%。

ABSTRACT

We perform a search for binary black hole mergers with one subsolar mass black hole and a primary component above $2 M_\odot$ in the second observing run of LIGO/Virgo. Our analysis therefore extends previous searches into a mass region motivated by the presence of a peak in any broad mass distribution of primordial black holes (PBHs) around $[2-3] M_\odot$ coming from the equation of state reduction at the QCD transition. Four candidate events are found passing a false alarm rate (FAR) threshold of 2 per year, although none are statistically significant enough for being clear detections. We first derive model independent limits on the PBH merging rates assuming a null result of the search. Then we confront them to two recent scenarios in which PBHs can constitute up to the totality of the Dark Matter, explain LIGO/Virgo mergers and the possible observation of a stochastic gravitational-wave background by NANOGrav. We find that these models still pass the rate limits and conclude that the analysis of the O3 and O4 observing runs will be decisive to test the hypothesis of a primordial origin of black hole mergers.

研究动机与目标

• 研究主星质量 >2 M⊙ 的低质量比双星系统中次太阳质量原初黑洞（PBH）的存在。
• 将先前LIGO/Virgo的搜寻范围扩展至超过2 M⊙的阈值，以探测在~2–3 M⊙附近由QCD相变引起的PBH质量函数峰值。
• 评估能够解释暗物质及LIGO/Virgo并合观测结果（包括GW190521和GW190814）的PBH模型的可行性。
• 在次太阳质量至太阳质量范围内推导与模型无关的并合率上限，以检验PBH情景。
• 通过考虑N体模拟中早期双星的速率抑制效应，调和PBH丰度限制之间的矛盾。

提出的方法

• 使用O2期Advanced LIGO和Virgo的数据，对一个子星质量在0.1–1 M⊙范围、另一子星质量在2–10 M⊙范围的双黑洞并合事件进行相干搜寻。
• 采用匹配滤波技术，使用专为低质量比系统（q < 0.5）和次太阳质量次星质量设计的模板库。
• 将误报率（FAR）阈值设为每年2次，以识别候选事件，并通过单探测器触发信号进行额外验证。
• 在90%可信水平下推导与模型无关的PBH并合率上限，同时考虑星团形成率和抑制因子的不确定性。
• 将这些上限与两种理论PBH并合率预测进行对比：一种在~2–3 M⊙处具有QCD诱导的峰值，另一种具有宽广的质量函数。
• 使用更新的速率模型重新分析先前的O2数据限制（Abbott et al. 2019b），包括N体模拟中早期双星的抑制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在LIGO/Virgo O2数据中探测到低质量比双星系统中的次太阳质量原初黑洞？
• RQ2 LIGO/Virgo黑洞并合事件的观测并合率是否支持在~2–3 M⊙处具有QCD诱导峰值的原初起源？
• RQ3 在考虑早期形成双星的速率抑制效应后，当前PBH丰度的观测限制是否依然稳健？
• RQ4 在O2数据背景下，能否仍使能够解释暗物质和NANOGrav随机背景的PBH模型保持可行性？
• RQ5 O3和O4观测运行对次太阳质量PBH的预期灵敏度如何？它们是否能决定性地检验原初黑洞假说？

主要发现

• 识别出四个候选事件，其总信噪比 >8 且误报率 <每年2次，但均未达到统计显著性探测水平。
• 在0.1–1 M⊙和2–10 M⊙质量范围内建立了与模型无关的PBH并合率上限，将先前的约束扩展至超过2 M⊙。
• 尽管结果为零，但推导出的速率上限仍允许在早期双星和晚期双星情景下，f_PBH = 1（即PBH作为唯一暗物质组分）。
• 对O2数据的重新分析表明，先前的限制（Abbott et al. 2019b）因未考虑N体模拟中的速率抑制而过于严格；纳入该效应后，约束显著变弱。
• 预计O3和O4观测运行将能决定性地检验黑洞并合的原初起源，尤其是当次太阳质量PBH存在时。
• 多个低显著性候选事件的出现可能暗示存在次太阳质量PBH群体，值得利用更长、更灵敏的数据进行深入分析。