Constraining evaporating primordial black holes with planck data

Abstract

En un Universo en expansión, la cosmología física emerge como la clave para desvelar los misterios acerca de la naturaleza a gran escala del Universo. Dos de estos misterios son la naturaleza de la materia oscura, que corresponde al 26% de la composición del Universo, y la discrepancia entre las estimaciones de la tasa actual de expansión del Universo por las mediciones de la radiación de fondo de microondas y la escalera de distancia local, llamada tensión de Hubble. Por lo tanto, este trabajo busca continuar el trabajo de Nesseris et al. (2020) restringiendo, con los datos del telescopio espacial Planck, el modelo de agujeros negros primordiales, que supone que una fracción de la materia oscura consiste en agujeros negros primordiales (esto es, regiones muy densas y pequeñas que colapsan) para entender mejor la naturaleza de la materia oscura y reducir la tensión de la constante de Hubble. Para esto, se utilizan simulaciones de cadenas de Markov como método de inferencia estadística para estimar los parámetros cosmológicos, junto con las funciones de verosimilitud del fondo cósmico de microondas del telescopio Planck.

Los agujeros negros primordiales (PBHs por sus siglas en inglés) ya han sido considerados para proveer la materia oscura. Sin embargo, ningún trabajo anterior utiliza todos los datos del telescopio Planck y sus funciones de verosimilitud asociadas para restringir PBHs que se evaporan modelados como un fluido acoplado con radiación. En este trabajo, se estiman los parámetros cosmológicos para el modelo PBH, encontrando parámetros de mejor ajuste estadísticamente consistentes con el modelo ΛCDM para pequeñas fracciones de PBHs explicando la materia oscura, pero que aumentan el parámetro de Hubble a 72.9 ± 1.0 km s⁻¹ Mpc⁻¹ para una fracción mayor a 0.1.

Este trabajo está limitado por la dependencia del parámetro de Hubble en las ecuaciones dinámicas de PBH, lo que sesga el modelo imponiendo que Hubble sea exactamente el mismo de ΛCDM. Otra limitación es suponer que todos los PBHs tienen la misma masa inicial, lo que no es completamente cierto, y no considerar la teoría de perturbaciones, sino sólo el fondo. Queda propuesto usar funciones extendidas de masa para PBHs y tomar en cuenta la teoría de perturbaciones, junto con modificar el código CLASS para evitar la dependencia mencionada en la ecuaciones para PBH y radiación oscura.

In an expanding Universe, physical cosmology emerges as the key to unveiling the mysteries surrounding the large-scale nature of the Universe. Two of these mysteries are the nature of dark matter, which corresponds to 26 % of the composition of the Universe, and the discrepancy between today’s estimations of the expanding rate of the Universe by the cosmic microwave background and the local distance ladder measurements, called Hubble tension. Therefore, this work aims to continue the work of Nesseris et al. (2020) by constraining with Planck data the primordial black hole model, which assumes that a fraction of dark matter consists of primordial black holes (that is, overdense and very small regions that collapse), to understand better the nature of dark matter and reduce the Hubble tension. For this, Markov chain simulation is used as an statistical inference method to estimate the cosmological parameters, along with the Planck cosmic microwave background likelihood functions. Primordial black holes (PBHs) have been considered before as providing dark matter. However, none uses all the Planck data and its associated likelihood functions to constrain evaporating PBHs modeled as a coupled fluid with radiation. In this work, the cosmological parameters are estimated for the PBH model, finding best fits statistically consistent with the ΛCDM model for small fractions of PBHs explaining dark matter, but that raise the Hubble parameter to 72.9 ± 1.0 km s−1 Mpc−1 for a fraction higher than 0.1. This work is limited by the dependence of the Hubble parameter on the PBH dynamical equations, which biases the model on imposing Hubble to be exactly the same as the ΛCDM one. Another limitation is assuming that all PBHs have the same initial mass, which is not completely true, and not considering perturbation theory, but only the background. It is proposed using extended mass functions for PBHs and taking perturbation theory into account, along with modifying the CLASS code to avoid the mentioned dependence on PBH and dark radiation equations