Primordial black holes as dark matter candidates: analysis of observational constraints with LIGO/Virgo

Abstract

ABSTRACT: The cosmological concordance model considers that approximately about twenty per cent of the energy/material composition of the Universe is constituted by some non-baryonic, non-interacting matter (except through gravitation and, perhaps, weak interaction) that is known as dark matter. Although there is much indirect observational evidence for the existence of dark matter, we have so far been unable to obtain any direct observation of it, and there is not even a consensus on which particles (outside the standard model) might constitute it. Among the many candidates that have been proposed to explain dark matter, one of the most interesting for modern cosmology is primordial black holes. Such primordial black holes could have been formed spontaneously from extreme local overdensities as a result of density fluctuations that emerged during the first moments after the Big Bang. In this work, we will review the theoretical background behind this idea, starting from simple models and then relaxing some of the assumptions of these models to consider more realistic scenarios. Subsequently, we will use the most recent gravitational wave observations from the public data of the LIGO and Virgo experiments to update, if possible, the current estimations of the contribution of primordial black holes to the total dark matter budget fPBH, as a function of its mass in the range [10⁻¹, 10³] M that form short-period binary systems. We have estimated that the maximum fraction of dark matter that primordial black holes constitute for a simple model is of the order of fPBH ≈ 10⁻⁴ in the mass range [10⁰, 10² ] M , becoming less restrictive for the rest of the mass range. When we have considered more realistic cases these constraints become weaker, obtaining a value of the order of fPBH ≈ 10⁻³ in the mass range [10⁰, 10²] M.

RESUMEN: El modelo de concordancia cosmológico considera que aproximadamente un veinte por ciento del contenido energético/material del Universo está constituido por algún tipo de materia no bariónica y no interactuante (salvo a través de la gravitación y, tal vez, de la interacción débil) que recibe el nombre de materia oscura. Aunque existen numerosas evidencias observacionales indirectas de la existencia de la materia oscura, por el momento no hemos podido obtener ninguna observación directa de la misma y ni siquiera existe consenso acerca de qué tipo de partículas (fuera del modelo estándar) pueden constituirla. De entre los muy variados candidatos que se han propuesto para explicar la materia oscura, uno de los más interesantes para la cosmología moderna son los agujeros negros primordiales. Dichos agujeros negros primordiales podrían haberse formado espontáneamente a partir de sobredensidades locales extremas fruto de las fluctuaciones de densidad que emergieron durante los primeros instantes tras el Big Bang. En este trabajo revisaremos los fundamentos teóricos que subyacen tras esta idea, partiendo de modelos sencillos y posteriormente relajando algunas de las suposiciones de dichos modelos para considerar situaciones más realistas. Posteriormente, haremos uso de las más recientes observaciones de ondas gravitacionales a través de los datos públicos de los experimentos LIGO y Virgo para actualizar, si es posible, las cotas actualmente existentes a la posible contribución de agujeros negros primordiales al balance total de materia oscura fPBH, en un rango de masas de agujeros negros primordiales [10⁻¹, 10³] M que forman sistemas binarios de periodo corto. Se ha estimado que la fracción máxima de materia oscura que constituyen los agujeros negros primordiales asumiendo un modelo sencillo, es del orden de fPBH ≈ 10⁻⁴ en un rango de masas [10⁰, 10²] M , volviéndose menos restrictivas para el resto del rango de masas. Cuando se consideran casos más realistas esta cota se vuelve menos restrictiva, obteniéndose un valor de dicha fracción del orden de fPBH ≈ 10⁻³ en un rango de masas [10⁰, 10²] M .