Следующие шаги в исследовании первичных черных дыр

Таблица ссылок

Аннотация и 1 Введение

2 Некоторые открытые вопросы

2.1 Какова распространенность ПГБ?

2.2 Каков эффект кластеризации PBH?

2.3 Какую часть наблюдаемых в настоящее время событий ГВ можно отнести к ПЧД?

2.4 Являются ли PBH темной материей?

3. Дорожная карта PBH

3.1 Слияния с высоким красным смещением

3.2 PBH-системы с субсолнечной энергией

3.3 Заполнение пробела в парной нестабильности с помощью PBH?

3.4 Эксцентриситет PBH, 3.5 Вращение PBH и 3.6 Будущие гамма-телескопы

4 Выводы и ссылки

4 Вывода

Поддержка гипотезы существования PBH исходит из ряда аргументов, охватывающих физику темной материи, инфляционные модели, астрофизику, гравитационное микролинзирование и квантовую космологию. Ни один из них пока не является окончательным, но совокупная поддержка существования PBH кажется достаточно убедительной. Однако более важно то, что существует богатая астрофизическая повестка дня открытых вопросов, которые вносят вклад в будущую дорожную карту для множества исследовательских проектов.

Два самых фундаментальных зонда PBH, которые отличают их от астрофизических аналогов, — это их красное смещение и распределение масс. Эта комбинация обеспечивает арсенал дымящихся пушек, которые неизбежно обогатят следующее поколение экспериментов по гравитационным волнам и гравитационному микролинзированию. Подтверждение потребует улучшенной статистики, поскольку отдельные события могут быть неокончательными. Слишком легко придумать редкие события, которые могут маскироваться под кандидатов PBH, например, апеллируя к поколениям сливающихся событий более высокого порядка или к негауссовости. Мы изложили возможную будущую дорожную карту для окончательной оценки того, могут ли PBH представлять собой жизнеспособного кандидата на темную материю или, возможно, способствовать другим астрофизическим или даже квантовым космологическим аномалиям.

Ссылки

[1] А. Янниккари, А. Дж. Иовино, А. Кехагиас, Д. Перроне и А. Риотто. Первичное изобилие черных дыр: чем шире, тем лучше. 2 2024.

[2] Альберт Эскрива, Кристиано Джермани и Рави К. Шет. Универсальный порог для образования первичной черной дыры. Phys. Rev. D, 101(4):044022, 2020.

[3] Валерио Де Лука, Алекс Кехагиас и Антонио Риотто. Насколько хорошо мы знаем первичное изобилие черных дыр: решающая роль нелинейностей при приближении к горизонту. Phys. Rev. D, 108(6):063531, 2023.

[4] Габриэле Франчолини, Андреа Янниккари, Алекс Кехагиас, Давиде Перроне и Антонио Риотто. Ренормализованные первичные черные дыры. 11 2023.

[5] Маркос М. Флорес, Александр Кусенко и Мисао Сасаки. Возвращаясь к формированию первичных черных дыр в переохлажденном фазовом переходе первого рода. 2 2024.

[6] В. Де Лука, В. Дежак, Г. Франчолини, А. Малхотра и А. Риотто. Начальное распределение вероятностей спина первичных черных дыр. JCAP, 05:018, 2019.

[7] В. Де Лука, Дж. Франчолини, П. Пани и А. Риотто. Ограничения на первичные черные дыры: важность аккреции. Phys. Rev. D, 102(4):043505, 2020.

[8] Ясин Али-Хаймуд. Корреляционная функция высокопороговых областей и применение к начальной мелкомасштабной кластеризации первичных черных дыр. Physical Review Letters, 121(8), август 2018 г.

[9] Винсент Дежак и Антонио Риотто. Пространственная кластеризация первичных черных дыр. Phys. Rev. D, 98(12):123533, 2018. [10] Дерек Инман и Ясин Али-Хаймуд. Раннее формирование структур в космологии первичных черных дыр. Phys. Rev. D, 100(8):083528, 2019.

[11] Бернард Карр и Джозеф Силк. Первичные черные дыры как генераторы космических структур. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 478(3):3756–3775, май 2018 г.

[12] Джозеф Силк, Митчелл Бегельман, Колин Норман, Ади Нуссер и Розмари Вайс. Что появилось первым: сверхмассивные черные дыры или галактики? идеи из jwst, 2024.

[13] Габриэле Франчолини, Вишал Байбхав, Валерио Де Лука, Кен К. Й. Нг, Казе В. К. Вонг, Эмануэле Берти, Паоло Пани, Антонио Риотто и Сальваторе Витале. Поиск субпопуляции первичных черных дыр в данных гравитационных волн LIGO-Virgo. Phys. Rev. D, 105(8):083526, 2022.

[14] J. Iguaz, P.D. Serpico и T. Siegert. Изотропное рентгеновское излучение, связанное с темной материей первичной черной дыры. Physical Review D, 103(10), май 2021 г.

[15] Н. Бартоло, В. Де Лука, Дж. Франчолини, М. Пелозо, Д. Ракко и А. Риотто. Проверка первичных черных дыр как темной материи с помощью LISA. Phys. Rev. D, 99(10):103521, 2019.

[16] Хлоя Б. Ричардс, Томас В. Баумгарте и Стюарт Л. Шапиро. Аккреция на маленькую черную дыру в центре нейтронной звезды. Physical Review D, 103(10), май 2021 г.

[17] Джейсон Декстер и Райан М. О'Лири. Особая популяция пульсаров центрального парсека. The Astrophysical Journal, 783(1):L7, февраль 2014 г.

[18] Николас Эссер, Свен Де Рейке и Питер Тиняков. Влияние первичных черных дыр на функцию звездной массы сверхслабых карликовых галактик. 11 2023.

[19] Хосе А. де Фрейтас Пачеко, Элиас Кирицис, Маттео Лукка и Джозеф Силк. Квазиэкстремальные первичные черные дыры являются жизнеспособным кандидатом на темную материю. Physical Review D, 107(12), июнь 2023 г.

[20] Луис А. Анчордоки, Игнатиос Антониадис и Дитер Люст. Темное измерение, болото и фракция темной материи, состоящая из первичных черных дыр. Phys. Rev. D, 106(8):086001, октябрь 2022 г.

[21] Х. А. де Фрейтас Пачеко и Джозеф Силк. Первичные вращающиеся черные дыры. Phys. Rev. D, 101(8):083022, 2020.

[22] Ана Александре, Джиа Двали и Эммануил Кутсангелас. Новое окно масс для первичных черных дыр как темной материи из эффекта нагрузки памяти. 2 2024.

[23] Бенджамин В. Леманн, Кристиан Джонсон, Стефано Профумо и Томас Швембергер. Прямое обнаружение реликтов первичных черных дыр как темной материи. Журнал космологии и астрочастичной физики, 2019(10):046–046, октябрь 2019 г.

[24] Ян Бай и Николас Орловский. Первичные экстремальные черные дыры как темная материя. Physical Review D, 101(5), март 2020 г.

[25] Гиллем Доменеч и Мисао Сасаки. Исследование сценариев первичных черных дыр с помощью земных детекторов гравитационных волн, 2024.

[26] Сейджи Кавамура и др. Текущее состояние космической гравитационно-волновой антенны DECIGO и BDECIGO. PTEP, 2021(5):05A105, 2021.

[27] Юнгуй Гун, Цзюнь Ло и Бин Ван. Концепции и статус китайских проектов по обнаружению космических гравитационных волн. Nature Astronomy, 5(9):881–889, сентябрь 2021 г.

[28] Джон Эллис, Малкольм Фейрберн, Хуан Уррутия и Вилле Васконен. Исследование сценариев зародышей сверхмассивных черных дыр с помощью измерений гравитационных волн, 2023.

[29] Йорис ван Хейнинген и др. Полезная нагрузка Лунной гравитационно-волновой антенны. J. Appl. Phys., 133(24):244501, 2023.

[30] Джон Эллис, Малкольм Фейрберн, Габриэле Франчолини, Герт Хютси, Антонио Иовино-младший au2, Марек Левицки, Мартти Райдал, Хуан Уррутия, Вилле Васконен и Харди Веермяэ. Что является источником сигнала pta gw?, 2023.

[31] Ясин Али-Хаймуд, Эли Д. Ковец и Марк Камионковски. Скорость слияния первичных чёрных дыр. Phys. Rev. D, 96(12):123523, 2017.

[32] Мартти Райдал, Кристиан Спетманн, Вилле Васконен и Харди Веермяэ. Формирование и эволюция первичных двойных черных дыр в ранней Вселенной. JCAP, 02:018, 2019.

[33] В. Де Лука, Дж. Франчолини, П. Пани и А. Риотто. Первичные черные дыры противостоят данным LIGO/Virgo: Текущая ситуация. JCAP, 06:044, 2020.

[34] Томоя Кинугава, Кохей Инаёси, Кента Хотокезака, Дайсуке Накаучи и Такаши Накамура. Возможное косвенное подтверждение существования массивных звёзд поп-3 с помощью гравитационной волны. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 442(4):2963–2992, 2014.

[35] Томоя Кинугава, Акинобу Миямото, Нобуюки Канда и Такаши Накамура. Скорость обнаружения спиральных и квазинормальных мод двойных черных дыр населения III, которые могут подтвердить или опровергнуть общую теорию относительности в области сильной гравитации. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 456(1):1093–1114, 2016.

[36] Тильман Хартвиг, Марта Волонтери, Фолькер Бромм, Ральф С. Клессен, Энрико Бараус, Маттис Магг и Афина Стейси. Гравитационные волны от остатков первых звезд. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 460(1):L74–L78, 2016.

[37] К. Бельчински, Т. Рю, Р. Перна, Э. Берти, Т. Л. Танака и Т. Булик. О вероятности обнаружения гравитационных волн от компактных двойных объектов населения III. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 471(4):4702–4721, 2017.

[38] Кохей Инаёси, Рёсукэ Хираи, Томоя Кинугава и Кента Хотокезака. Путь формирования двойных чёрных дыр населения III посредством стабильного переноса массы. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 468(4):5020–5032, 2017.

[39] Боюань Лю и Фолькер Бромм. Происхождение популяции III GW190521. Astrophys. J. Lett., 903(2):L40, 2020.

[40] Боюань Лю и Фолькер Бромм. Гравитационные волны от двойных черных дыр населения III, образованных динамическим захватом. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 495(2):2475–2495, 2020.

[41] Томоя Кинугава, Такаши Накамура и Хироюки Накано. Масса и вращение двойных черных дыр из остатков первой звезды. Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 498(3):3946–3963, 2020.

[42] Атару Таникава, Хадзимэ Суса, Такаши Ёсида, Алессандро А. Трани и Томоя Кинугава. Плотность скорости слияния двойных черных дыр населения III ниже, выше и в разрыве массы парной нестабильности. Astrophys. J., 910(1):30, 2021.

[43] Неха Сингх, Томаш Булик, Кшиштоф Бельчинский и Аббас Аскар. Исследование компактных двойных популяций с помощью телескопа Эйнштейна. Астрон. Астрофизика, 667:A2, 2022.

[44] Саввас М. Кушиаппас и Абрахам Лёб. Максимальное красное смещение событий слияния гравитационных волн. Phys. Rev. Lett., 119(22):221104, 2017.

[45] В. Де Лука, Дж. Франчолини, П. Пани и А. Риотто. Байесовские доказательства существования как астрофизических, так и первичных черных дыр: сопоставление каталога GWTC-2 с детекторами третьего поколения. JCAP, 05:003, 2021.

[46] Кен К. Й. Нг, Шики Чен, Борис Гончаров, Ульяна Дуплетса, Сохраб Борханян, Марика Бранчези, Ян Хармс, Мишель Маджоре, Б. С. Сатьяпракаш и Сальваторе Витале. Об идентификации первичных слияний черных дыр на космологических расстояниях на основе единичных событий. Astrophys. J. Lett., 931(1):L12, 2022.

[47] Габриэле Франчолини, Роберто Котеста, Николас Лутрель, Эмануэле Берти, Паоло Пани и Антонио Риотто. Как оценить изначальное происхождение отдельных гравитационно-волновых событий с помощью измерений массы, спина, эксцентриситета и деформируемости. Phys. Rev. D, 105(6):063510, 2022.

[48] ​​Маттео Мартинелли, Франческа Скарселла, Натали Б. Хогг, Брэдли Дж. Каванаг, Даниэле Гаггеро и Пьер Флери. Танцы в темноте: обнаружение популяции далеких первичных черных дыр. JCAP, 08(08):006, 2022.

[49] Кен К. Й. Нг и др. Измерение свойств слияний первичных черных дыр на космологических расстояниях: влияние мод высшего порядка в гравитационных волнах. Phys. Rev. D, 107(2):024041, 2023.

[50] Кен К. Й. Нг, Габриэле Франчолини, Эмануэле Берти, Паоло Пани, Антонио Риотто и Сальваторе Витале. Ограничение первичных черных дыр звездной массы с высоким красным смещением с помощью наземных гравитационно-волновых детекторов следующего поколения. Astrophys. J. Lett., 933(2):L41, 2022.

[51] Витор Кардосо и Паоло Пани. Проверка природы темных компактных объектов: отчет о состоянии. Living Rev. Rel., 22(1):4, 2019.

[52] Хуай-Ке Го, Кувер Синха и Чэнь Сан. Исследование бозонных звезд с помощью экстремальных соотношений масс. JCAP, 09:032, 2019.

[53] Хироко Ниикура, Масахиро Такада, Шуичиро Ёкояма, Такахиро Суми и Сёго Масаки. Ограничения на первичные чёрные дыры земной массы из 5-летних событий микролинзирования. Physical Review D, 99(8), апрель 2019 г.

[54] Кайки Таро Иноуэ и Такахиро Танака. Гравитационные волны от первичных двойных черных дыр сублунной массы: новый зонд дополнительных измерений. Physical Review Letters, 91(2), июль 2003 г.

[55] Научное сотрудничество LIGO, сотрудничество Virgo, сотрудничество KAGRA и Р. Эбботт и др. Популяция сливающихся компактных двойных звезд, полученная с использованием гравитационных волн через gwtc-3, 2022.

[56] Дигвиджай Вадекар, Хавьер Руле, Теджасви Венумадхав, Аджит Кумар Мехта, Барак Закай, Джонатан Мушкин, Сет Олсен и Матиас Залдарриага. Новые слияния черных дыр в данных ligovirgo o3 из поиска гравитационных волн, включая гармоники более высокого порядка, 2023.

[57] Илиас Чолис, Эли Д. Ковец, Ясин Али-Хаймуд, Симеон Берд, Марк Камионковски, Джулиан Б. Муньос и Альвизе Ракканелли. Орбитальные эксцентриситеты в первичных двойных черных дырах. Phys. Rev. D, 94(8):084013, 2016.

[58] И-Фань Ван и Александр Х. Ниц. Перспективы обнаружения гравитационных волн от эксцентричных субсолнечных масс компактных двойных звезд. Astrophys. J., 912(1):53, 2021.

[59] Габриэле Франчолини и Паоло Пани. Поиск корреляций массы и спина в популяции гравитационно-волновых событий: исследование случая GWTC-3. Phys. Rev. D, 105(12):123024, 2022.

[60] Мрунал Корвар и Стефано Профумо. Обновленные ограничения на испарение первичной черной дыры. Журнал космологии и астрочастичной физики, 2023(05):054, май 2023 г.

[61] Хенрике Фляйшхак. Amego-x: Мэв-гамма-астрономия в эпоху мультимессенджеров, 2021 год.

[62] Мануэла Малламачи, А. Де Анжелис, В. Татищефф, Р. Рандо, М. Тавани, У. Оберлак, Р. Вальтер, Г. Амбрози, А. Арган, П. фон Бальмос, Д. Бастиери, Э. Бернардини, С. Брандт, А. Булгарелли, А. Быков, В. Фиоретти, И.А. Гренье, Л. Хэнлон, Д. Хартманн, М. Эрнанц, Г. Канбах, И. Кувветли, П. Лоран, М. Мариотти, М.Н. Мацциотта, Дж. МакЭнери, С. Мерегетти, А. Морселли, К. Наказава, М. Пирс, Э. Прандини, Дж. Рико, Р. Курадо да Силва, К. Ву, Анджей Здзиарски и А. Зоглауер. All-Sky-ASTROGAM: МэВ-компаньон для многоканальной астрофизики. PoS, ICRC2019:579, 2019.

[63] Симеон Берд, Андреа Альберт, Уилл Доусон, Ясин Али-Хаймуд, Адам Куган, Алекс Дрлица-Вагнер, Ци Фэн, Дерек Инман, Кейсуке Иномата, Эли Ковец, Александр Кусенко, Бенджамин В. Леманн, Джулиан Б. Муньос, Раджив Сингх, Владимир Тахистов и Ю-Дай Цай. Белая книга о космической границе Snowmass2021: темная материя первичной черной дыры. Физика темной вселенной, 41:101231, август 2023 г.

[64] Джереми Ауффингер. Ограничения первичных черных дыр с излучением Хокинга — обзор. Progress in Particle and Nuclear Physics, 131:104040, июль 2023 г.

[65] Ф. Хойл и Р. А. Литтлтон. Об аккреции межзвездной материи звездами. Труды Кембриджского философского общества, 36(3):325, январь 1940 г.

[66] Ксавье Болуна, Стефано Профумо, Жюльетт Бле и Дэна Хеннингс. Поиски взрывающихся черных дыр, 2024.

[67] Чжэнь Цао и др. Сверхвысокоэнергетические фотоны до 1,4 петаэлектронвольт от 12 источников γ-излучения в Галактике. Nature, 594(7861):33–36, 2021.

[68] J. Hinton и сотрудничество SWGO. Южная широкополосная гамма-обсерватория: статус и перспективы. На 37-й Международной конференции по космическим лучам, стр. 23, март 2022 г.

[69] Кит Вандерлинде, Адриан Лю, Брайан Гейнслер, Дик Бонд, Гэри Хиншоу, Черри Нг, Синтия Чианг, Ингрид Стэйрс, Джо-Энн Браун, Джонатан Сиверс, Хуан Мена, Кендрик Смит, Кевин Бандура, Киёси Масуи, Кристин Спеккенс, Лео Белостоцкий, Мэтт Доббс, Нил Турок, Патрик Бойл, Майкл Рапен, Том Ландекер, Уэ-Ли Пен и Виктория Каспи. Канадская водородная обсерватория и детектор радиотранзиентов (хорда). 2019.