Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Primordial black hole compaction function from stochastic fluctuations in ultra-slow-roll inflation

Published 20 Dec 2023 in astro-ph.CO and gr-qc | (2312.12911v2)

Abstract: We study the formation of primordial black holes (PBH) with ultra-slow-roll inflation when stochastic effects are important. We use the $\Delta N$ formalism and simplify the stochastic equations with an analytical constant-roll approximation. Considering a viable inflation model, we find the spatial profile of the PBH compaction function numerically for each stochastic patch, without assumptions about Gaussianity or the radial profile. The stochastic effects that lead to an exponential tail for the density distribution also make the compaction function very spiky, unlike assumed in the literature. Naively using collapse thresholds found for smooth profiles, the PBH abundance is enhanced by up to a factor of $109$, and the PBH mass distribution is spread over three orders of magnitude in mass. The results point to a need to redo numerical simulations of PBH formation with spiky profiles.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (76)
  1. S. Hawking, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 152, 75 (1971).
  2. G. F. Chapline, Nature 253, 251 (1975).
  3. A. Dolgov and J. Silk, Phys. Rev. D47, 4244 (1993).
  4. J. Yokoyama, Astron. Astrophys. 318, 673 (1997), arXiv:astro-ph/9509027 [astro-ph] .
  5. K. Jedamzik, Phys. Rev. D55, R5871(R) (1997), arXiv:astro-ph/9605152 [astro-ph] .
  6. P. Ivanov, Phys. Rev. D57, 7145 (1998), arXiv:astro-ph/9708224 [astro-ph] .
  7. B. Carr and F. Kuhnel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355 (2020), arXiv:2006.02838 [astro-ph.CO] .
  8. A. M. Green and B. J. Kavanagh, J. Phys. G 48, 043001 (2021), arXiv:2007.10722 [astro-ph.CO] .
  9. A. A. Starobinsky, JETP Lett. 30, 682 (1979).
  10. A. A. Starobinsky, Phys. Lett. 91B, 99 (1980).
  11. D. Kazanas, Astrophys. J. 241, L59 (1980).
  12. A. H. Guth, Phys. Rev. D23, 347 (1981).
  13. K. Sato, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 195, 467 (1981).
  14. V. F. Mukhanov and G. V. Chibisov, JETP Lett. 33, 532 (1981), [Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz.33,549(1981)].
  15. A. Albrecht and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982).
  16. S. W. Hawking and I. G. Moss, Phys. Lett. 110B, 35 (1982).
  17. G. V. Chibisov and V. F. Mukhanov, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 200, 535 (1982).
  18. S. W. Hawking, Phys. Lett. 115B, 295 (1982).
  19. A. H. Guth and S. Y. Pi, Phys. Rev. Lett. 49, 1110 (1982).
  20. A. A. Starobinsky, Phys. Lett. 117B, 175 (1982).
  21. M. Sasaki, Prog. Theor. Phys. 76, 1036 (1986).
  22. V. F. Mukhanov, Sov. Phys. JETP 67, 1297 (1988), [Zh. Eksp. Teor. Fiz.94N7,1(1988)].
  23. V. Faraoni, Am. J. Phys. 69, 372 (2001), arXiv:physics/0006030 [physics] .
  24. W. H. Kinney, Phys. Rev. D72, 023515 (2005), arXiv:gr-qc/0503017 [gr-qc] .
  25. J. Garcia-Bellido and E. Ruiz Morales, Phys. Dark Univ. 18, 47 (2017), arXiv:1702.03901 [astro-ph.CO] .
  26. C. Germani and T. Prokopec, Phys. Dark Univ. 18, 6 (2017), arXiv:1706.04226 [astro-ph.CO] .
  27. H. Motohashi and W. Hu, Phys. Rev. D96, 063503 (2017), arXiv:1706.06784 [astro-ph.CO] .
  28. K. Dimopoulos, Phys. Lett. B775, 262 (2017), arXiv:1707.05644 [hep-ph] .
  29. Y. Gong and Y. Gong, JCAP 1807, 007 (2018), arXiv:1707.09578 [astro-ph.CO] .
  30. G. Ballesteros and M. Taoso, Phys. Rev. D97, 023501 (2018), arXiv:1709.05565 [hep-ph] .
  31. M. P. Hertzberg and M. Yamada, Phys. Rev. D 97, 083509 (2018), arXiv:1712.09750 [astro-ph.CO] .
  32. J. M. Ezquiaga and J. Garcia-Bellido, JCAP 08, 018 (2018), arXiv:1805.06731 [astro-ph.CO] .
  33. S. Räsänen and E. Tomberg, JCAP 01, 038 (2019), arXiv:1810.12608 [astro-ph.CO] .
  34. A. A. Starobinsky, Lect. Notes Phys. 246, 107 (1986).
  35. M. Morikawa, Phys. Rev. D 42, 1027 (1990).
  36. S. Habib, Phys. Rev. D 46, 2408 (1992), arXiv:gr-qc/9208006 .
  37. M. Mijic, Phys. Rev. D 49, 6434 (1994), arXiv:gr-qc/9401030 .
  38. A. A. Starobinsky and J. Yokoyama, Phys. Rev. D 50, 6357 (1994), arXiv:astro-ph/9407016 .
  39. A. De and R. Mahbub, Phys. Rev. D 102, 123509 (2020), arXiv:2010.12685 [astro-ph.CO] .
  40. G. Rigopoulos and A. Wilkins, JCAP 12, 027 (2021), arXiv:2107.05317 [astro-ph.CO] .
  41. E. Tomberg, JCAP 04, 042 (2023a), arXiv:2210.17441 [astro-ph.CO] .
  42. E. Tomberg,   (2023b), arXiv:2304.10903 [astro-ph.CO] .
  43. V. De Luca and A. Riotto, Phys. Lett. B 828, 137035 (2022), arXiv:2201.09008 [astro-ph.CO] .
  44. S. Pi and M. Sasaki, Phys. Rev. Lett. 131, 011002 (2023), arXiv:2211.13932 [astro-ph.CO] .
  45. M. Shibata and M. Sasaki, Phys. Rev. D 60, 084002 (1999), arXiv:gr-qc/9905064 .
  46. I. Musco, Phys. Rev. D 100, 123524 (2019), arXiv:1809.02127 [gr-qc] .
  47. S. Young, Int. J. Mod. Phys. D 29, 2030002 (2020), arXiv:1905.01230 [astro-ph.CO] .
  48. A. Escrivà, Phys. Dark Univ. 27, 100466 (2020), arXiv:1907.13065 [gr-qc] .
  49. A. Escrivà, Universe 8, 66 (2022), arXiv:2111.12693 [gr-qc] .
  50. C.-M. Yoo, Galaxies 10, 112 (2022), arXiv:2211.13512 [astro-ph.CO] .
  51. A. Escrivà and C.-M. Yoo,   (2023), arXiv:2310.16482 [gr-qc] .
  52. C. Germani and I. Musco, Phys. Rev. Lett. 122, 141302 (2019), arXiv:1805.04087 [astro-ph.CO] .
  53. M. Kawasaki and H. Nakatsuka, Phys. Rev. D 99, 123501 (2019), arXiv:1903.02994 [astro-ph.CO] .
  54. C. Germani and R. K. Sheth,   (2023), arXiv:2308.02971 [astro-ph.CO] .
  55. M. Sasaki and E. D. Stewart, Prog. Theor. Phys. 95, 71 (1996), arXiv:astro-ph/9507001 .
  56. M. Sasaki and T. Tanaka, Prog. Theor. Phys. 99, 763 (1998), arXiv:gr-qc/9801017 .
  57. T. Nakama, JCAP 10, 040 (2014), arXiv:1408.0955 [gr-qc] .
  58. A. Dekel, Astron. Astrophys. 101, 79 (1981).
  59. Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A10 (2020), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
  60. K. Itô, Proceedings of the Imperial Academy 20, 519 (1944).
  61. V. Vennin and A. A. Starobinsky, Eur. Phys. J. C 75, 413 (2015), arXiv:1506.04732 [hep-th] .
  62. Y. Tada and V. Vennin, JCAP 02, 021 (2022), arXiv:2111.15280 [astro-ph.CO] .
  63. A. Escrivà and A. E. Romano, JCAP 05, 066 (2021), arXiv:2103.03867 [gr-qc] .
  64. J. C. Niemeyer and K. Jedamzik, Phys. Rev. Lett. 80, 5481 (1998), arXiv:astro-ph/9709072 .
  65. J. C. Niemeyer and K. Jedamzik, Phys. Rev. D59, 124013 (1999), arXiv:astro-ph/9901292 [astro-ph] .
  66. I. Musco and J. C. Miller, Class. Quant. Grav. 30, 145009 (2013), arXiv:1201.2379 [gr-qc] .
  67. J. Kristiano and J. Yokoyama,   (2022), arXiv:2211.03395 [hep-th] .
  68. A. Riotto,   (2023a), arXiv:2301.00599 [astro-ph.CO] .
  69. J. Kristiano and J. Yokoyama,   (2023), arXiv:2303.00341 [hep-th] .
  70. A. Riotto,   (2023b), arXiv:2303.01727 [astro-ph.CO] .
  71. H. Firouzjahi, JCAP 10, 006 (2023a), arXiv:2303.12025 [astro-ph.CO] .
  72. H. Motohashi and Y. Tada, JCAP 08, 069 (2023), arXiv:2303.16035 [astro-ph.CO] .
  73. H. Firouzjahi and A. Riotto,   (2023), arXiv:2304.07801 [astro-ph.CO] .
  74. G. Tasinato, Phys. Rev. D 108, 043526 (2023), arXiv:2305.11568 [hep-th] .
  75. J. Fumagalli,   (2023), arXiv:2305.19263 [astro-ph.CO] .
  76. H. Firouzjahi,   (2023b), arXiv:2311.04080 [astro-ph.CO] .
Citations (7)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 3 tweets with 3 likes about this paper.

Sign Up for Free