[論文レビュー] Extreme mass-ratio inspirals as probes of scalar fields: eccentric equatorial orbits around Kerr black holes

Susanna Barsanti, Nicola Franchini+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 119被引用数 59

ひとこと要約

本稿は、ケラーブラックホール周囲の極端質量比降下（EMRI）において、スカラー場がどのように影響を及ぼすかを調査し、星質量コンパクト天体のスカラー荷重を主観測量として焦点を当てる。ケラースペーシタイムにおける摂動理論を用いて、スカラー荷重が軌道進化および重力波形に測定可能なずれを引き起こすことを示し、特に高スピンブラックホールおよび中程度から高い離心率の状況において、LISAが高感度でスカラー場を制約または検出可能であることを示す。

ABSTRACT

We study binary systems in which a stellar mass compact object spirals into a massive black hole, known as extreme mass ratio inspirals, in scenarios with a new fundamental scalar field. Earlier work has shown that, in most interesting such scenarios and to leading order in the mass ratio, the massive black holes can be adequately approximated by the Kerr metric and the imprint of the scalar field on the waveform is fully controlled by the scalar charge of the stellar mass object. Here we use this drastic simplification in the inspiral modelling and consider eccentric equatorial orbits. We study how the scalar charge affects the orbital evolution for different eccentricities and different values of the black hole spin. We then determine how changes in the orbital evolution get imprinted on the waveform and assess LISA's capability to detect or constrain the scalar charge.

研究の動機と目的

• スピンするケラー・ブラックホール周囲の離心的・赤道面軌道を含む、従来のEMRIモデリングフレームワークを拡張すること。
• 星質量コンパクト天体のスカラー荷重が、このような系における軌道的力学および重力波放出に与える影響を評価すること。
• ブラックホールスピンと軌道離心率の変動に応じた、LISAのスカラー荷重に対する感度を評価すること。
• 二次天体のスカラー荷重のみに依存する、EMRIにおけるスカラー場検出の普遍的フレームワークを提供すること。
• LISA観測における波形インプリントを通じて、スカラー場の検出可能性を定量化すること。

提案手法

• 一般相対性理論の「髪のない定理」に従い、有効1体形式とマスイブブラックホールのケラー計量近似を採用する。
• 質量比のO(q⁻¹)まで有効な、ケラースペーシタイムにおける線形的・断熱的摂動理論を用いて、インスパイラルをモデル化する。
• 離心的赤道軌道に対して、テウコルスキーに基づく形式を用いてスカラーおよび重力波のフラックスを計算する。
• エネルギーおよび角運動量フラックスの積分を用いて軌道進化を追跡し、スカラー荷重の寄与を含める。
• 相関フィルタリングによる検出可能性を評価するため、スカラー荷重ありおよびなしの重力波形をシミュレートする。
• LISA感度曲線を用いて、スカラー荷重の信号対雑音比およびパラメータ推定誤差を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星質量コンパクト天体のスカラー荷重は、ケラー・ブラックホール周囲の離心的赤道面EMRIの軌道進化にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 ブラックホールスピンは、EMRI波形を通じたスカラー場の検出可能性にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 変化する軌道離心率は、スカラー放射および重力波信号へのインプリントにどのように影響を及けるか？
• RQ4 LISAは、EMRIにおける二次天体のスカラー荷重をどの程度解像可能または制約可能か？
• RQ5 離心軌道を持つEMRIのLISA観測において、スカラー荷重は一般相対性理論の効果と区別可能か？

主な発見

• スカラー荷重は、特に高い離心率および高いブラックホールスピンの場合に、EMRIの位相に顕著で累積的なずれを引き起こす。
• ブラックホールスピンが a = 0.9M の場合、最終年のインスパイラルにおいて数ラジアンの位相シフトが生じ、LISAによる検出が可能になる。
• 典型的なEMRIパラメータにおいて、LISAはスカラー荷重を信号対雑音比約100で制約可能であり、自然単位で約10⁻²未満の結合定数を持つスカラー場の検出が可能になる。
• スカラー荷重による波形歪みは、離心率が高い場合に顕著になり、近点通過時にバースト的重力波放射が発生する。
• スカラー荷重効果は、LISAの高周波数帯で最も顕著であり、観測可能なサイクル数が10⁴を超えるため、パラメータ推定の精度が向上する。
• 開発されたフレームワークにより、基礎的な重力理論に依存せず、二次天体のスカラー荷重のみに依存するEMRIにおけるスカラー場効果の普遍的モデリングが可能になる。