Supermassive black holes triggered by QCD axion bubbles
Abstract: The supermassive black holes (SMBHs) are ubiquitous in the center of galaxies, although the origin of their massive seeds is still unknown. In this paper, we investigate the SMBHs formation from the QCD axion bubbles. In this case, the primordial black holes (PBHs) are considered as the seeds of SMBHs, which are generated from the QCD axion bubbles due to an explicit Peccei-Quinn (PQ) symmetry breaking after inflation. The QCD axion bubbles are formed when the QCD axion starts to oscillate during the QCD phase transition. We consider a general case in which the axion bubbles are formed with the bubble effective angle $\theta_{\rm eff}\in(0, \, \pi]$, leading to the minimum PBH mass $\sim\mathcal{O}(104-107)M_\odot$ for the axion decay constant $f_a\sim\mathcal{O}(10{16})\, \rm GeV$. The PBHs at this mass region may account for the seeds of SMBHs.
- J. Kormendy and D. Richstone, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 33, 581 (1995).
- D. Richstone et al., Nature 395, A14 (1998), arXiv:astro-ph/9810378 .
- J. Kormendy and L. C. Ho, Ann. Rev. Astron. Astrophys. 51, 511 (2013), arXiv:1304.7762 [astro-ph.CO] .
- D. Lynden-Bell, Nature 223, 690 (1969).
- L. Ferrarese and D. Merritt, Astrophys. J. Lett. 539, L9 (2000), arXiv:astro-ph/0006053 .
- D. N. Page and K. S. Thorne, Astrophys. J. 191, 499 (1974).
- D. J. Mortlock et al., Nature 474, 616 (2011), arXiv:1106.6088 [astro-ph.CO] .
- G. De Rosa et al., Astrophys. J. 790, 145 (2014), arXiv:1311.3260 [astro-ph.CO] .
- E. Banados et al., Nature 553, 473 (2018), arXiv:1712.01860 [astro-ph.GA] .
- E. E. Salpeter, Astrophys. J. 140, 796 (1964).
- N. Duechting, Phys. Rev. D 70, 064015 (2004), arXiv:astro-ph/0406260 .
- A. D. Dolgov and S. Porey, Bulg. Astron. J. 34, 2021 (2019), arXiv:1905.10972 [astro-ph.CO] .
- D. N. Spergel and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 84, 3760 (2000), arXiv:astro-ph/9909386 .
- M. Volonteri, Astron. Astrophys. Rev. 18, 279 (2010), arXiv:1003.4404 [astro-ph.CO] .
- A. D. Dolgov, Usp. Fiz. Nauk 188, 121 (2018), arXiv:1705.06859 [astro-ph.CO] .
- A. M. Green and B. J. Kavanagh, J. Phys. G 48, 043001 (2021), arXiv:2007.10722 [astro-ph.CO] .
- B. Carr and F. Kuhnel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355 (2020), arXiv:2006.02838 [astro-ph.CO] .
- B. Carr and F. Kuhnel, SciPost Phys. Lect. Notes 48, 1 (2022), arXiv:2110.02821 [astro-ph.CO] .
- H.-J. Li, JCAP 11, 045 (2022), arXiv:2208.04605 [astro-ph.CO] .
- T. Papanikolaou and K. N. Gourgouliatos, Phys. Rev. D 107, 103532 (2023), arXiv:2301.10045 [astro-ph.CO] .
- K.-P. Xie, JCAP 06, 008 (2023), arXiv:2301.02352 [astro-ph.CO] .
- B. J. Carr, Astrophys. J. 201, 1 (1975).
- L. Alabidi and K. Kohri, Phys. Rev. D 80, 063511 (2009), arXiv:0906.1398 [astro-ph.CO] .
- S. W. Hawking, Phys. Lett. B 231, 237 (1989).
- A. Polnarev and R. Zembowicz, Phys. Rev. D 43, 1106 (1991).
- S. Ge, Phys. Dark Univ. 27, 100440 (2020), arXiv:1905.12182 [hep-ph] .
- H. Deng and A. Vilenkin, JCAP 12, 044 (2017), arXiv:1710.02865 [gr-qc] .
- H. Deng, JCAP 09, 023 (2020), arXiv:2006.11907 [astro-ph.CO] .
- N. Kitajima and F. Takahashi, JCAP 11, 060 (2020), arXiv:2006.13137 [hep-ph] .
- F. Hasegawa and M. Kawasaki, JCAP 01, 027 (2019), arXiv:1807.00463 [astro-ph.CO] .
- D. H. Lyth, Phys. Rev. D 45, 3394 (1992).
- F. Takahashi and M. Yamaguchi, Phys. Rev. D 69, 083506 (2004), arXiv:hep-ph/0308173 .
- T. Banks and M. Dine, Nucl. Phys. B 505, 445 (1997), arXiv:hep-th/9608197 .
- K. S. Jeong and F. Takahashi, Phys. Lett. B 727, 448 (2013), arXiv:1304.8131 [hep-ph] .
- F. Takahashi and M. Yamada, JCAP 10, 010 (2015), arXiv:1507.06387 [hep-ph] .
- H.-J. Li,  (2023), arXiv:2303.04537 [hep-ph] .
- M. Kawasaki and K. Murai, Phys. Rev. D 100, 103521 (2019), arXiv:1907.02273 [astro-ph.CO] .
- T. Fukuyama, Int. J. Mod. Phys. A 38, 2350191 (2023), arXiv:2301.09220 [hep-ph] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.