[論文レビュー] Electromagnetic emission from axionic clouds and the quenching of superradiant instabilities

Taishi Ikeda, Richard Brito+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 30被引用数 34

ひとこと要約

本稿では、カー時空における古典的マクスウェル＝クライン＝ゴルドン方程式の数値解を用いて、回転するブラックホールの周囲に存在するアキソン雲が、アキソン-光子結合定数が臨界閾値を超えた際にレーザー様の電磁（EM）放射を引き起こすことを示している。主な結果は、このようなEMパルス放射が量子効果ではなく、古典的非線形力学に起因しており、放射強度がアキソン振幅に指数関数的に比例し、周期的でパルス状の振る舞いを示すことである。

ABSTRACT

The nature of dark matter is one of the longest-standing puzzles in science. Axions or axion-like particles are a key possibility, and arise in mechanisms to solve the strong CP problem but also in low-energy limits of string theory. Extensive experimental and observational efforts are actively looking for `axionic' imprints. Independently on their nature, their abundance, and on their contribution to the dark matter problem, axions form dense clouds around spinning black holes, grown by superradiant mechanisms. It was recently suggested that once couplings to photons are considered, an exponential (quantum) stimulated emission of photons ensues at large enough axion number. Here we solve numerically the classical problem in different setups. We show that laser-like emission from clouds exists at the classical level, and we provide the first quantitative description of the problem.

研究の動機と目的

• 回転するブラックホールの周囲に存在するアキソン雲が、古典的非線形力学によって電磁（EM）放射を発生させることを調査すること。
• 量子効果に依存しない条件下で、アキソン-光子結合がどのように爆発的EM放射を引き起こすかを特定すること。
• アキソン振幅および結合定数の観点から、EMパルスの発生とその特徴を定量すること。
• このような系からの重力波およびEM信号検出への意味を評価すること。
• 従来の断熱的および平坦時空近似における矛盾を解消するため、完全な結合系を数値的に解くこと。

提案手法

• 3+1時空分解を用いて、固定されたカー背景時空において、結合されたアインシュタイン＝マクスウェル＝クライン＝ゴルドン方程式を数値的に解く。
• 作用にカルタン＝シモンズ型項を導入し、$ k_{\text{axion}} $ を自由パラメータとしてアキソン-EM結合をモデル化する。
• ベクトル場の時間発展の適切な定式化を保証するため、ローレンツゲージ条件 $ \nabla_\mu A^\mu = 0 $ を課す。
• 数値的時間スケール内でアキソン雲の形成を加速するため、サプレアディアント様の増大項 $ C\partial\Phi/\partial t $ を導入する。
• 適切な境界条件を備えた球対称グリッド上で、有限差分法を用いて系を時間発展させる。
• EMエネルギー流束およびアキソン場振幅の時間発展を追跡し、パルス発生の時期とダイナミクスを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アキソン-光子結合定数がどの臨界値に達すると、古典的EM放射が指数関数的に増幅されるか？
• RQ2 古典的状態において、EM放射がコherence（コherー）性とパルス状放射を示すレーザー様の特徴を示すか？
• RQ3 EM放射のプロファイルは、アキソン雲の振幅およびブラックホールのスピンにどのように依存するか？
• RQ4 系が周期的なEM放射パルスを示すことは可能か？その再発間隔は何かによって決定されるか？
• RQ5 アキソン雲の増大率は、EM不安定性の発火にどのように寄与するか？また、最終的な全放射光度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• アキソン-光子結合定数が臨界閾値を超えると、古典的状態においてレーザー様のEM放射が誘発され、放射強度はアキソン振幅に指数関数的に比例する。
• EM放射は周期的でパルス状の振る舞いを示し、断熱的増大や $ e^{t^2} $ 型のパルスとは異なり、非線形不安定性に起因することが判明した。
• EM放射が支配的になる臨界結合値が存在し、この閾値はアキソン雲の振幅およびブラックホールのスピンに依存する。
• QCDアキソンの典型的な結合定数を想定した場合、このプロセスは質量 $ \lesssim 0.01 M_\odot $ のブラックホールでのみ関連するため、原始ブラックホールに特に関連する可能性がある。
• EMパルスは雲のサイズを制限する役割を果たし、これによりこのような系からの最大重力波放射が制限されることを示唆している。
• 数値的結果により、不安定性が量子近似の副産物ではなく、曲がった時空における古典的非線形力学に起因することが確認された。