[論文レビュー] Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave background on ultralight axion particles

Jing Yang, Ning Xie+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

ひとこと要約

この研究は、PTA によって検出されたナノヘルツの確率的重力波背景を Kerr ブラックホール周りの超軽量アクシオンと結びつけ、質量が約 10^-20 eV 付近のアクシオンを支持する結果を見いだし、ファジーDM の 10^-22–10^-21 eV 範囲を制約する。

ABSTRACT

Recently, the Hellings Downs correlation has been observed by different pulsar timing array (PTA) collaborations, such as NANOGrav, European PTA, Parkes PTA, and Chinese PTA. These PTA measurements of the most precise pulsars within the Milky Way show the first evidence for the stochastic gravitational wave background of our Universe. We study the ultralight axion interpretation of the new discovery by investigating the gravitational wave from axion transitions between different energy levels of the gravitational atoms, which are composed of cosmic populated Kerr black holes and their surrounding axion clouds formed through the superradiant process. By Bayesian analysis, we demonstrate that this new observation naturally admits an ultralight axion interpretation around $10^{-21}$eV, which is consistent in magnitude with the typical mass of fuzzy dark matter.

研究の動機と目的

• Kerr ブラックホール周りの超放射性のアクシオン雲を介した超軽量アクシオンを暗黒物質および潜在的な GW 発生源として動機づける。
• SMBH とアクシオン雲によって形成される重力的原子をモデル化し、アクシオンのエネルギー準位遷移からの GW 放射を計算する。
• このような系の宇宙論的集団からの SGWB スペクトルを予測し、アクシオン質量を制約するために PTA データと比較する。
• 現時点の PTA 測定が超軽量アクシオンおよびファジーDM の実現可能なパラメータ空間に与える影響を探る。

提案手法

• Kerr BH における超放射によるアクシオン雲の形成を記述し、重力微細構造定数 α=GM_b m_a を定義する。
• Δω≈(5/72) α^2 m_a を用いた二次電荷公式 quadrupole で支配的なエネルギー準位遷移 GW 力を計算する。
• 飽和した超放射に対して、遷移駆動の GW 光度を N_0≈α M_b/m_a、N_1≈α M_b/(3 m_a) で見積もる。
• 宇宙の BH 集団の回転と質量分布を選択してエネルギースペクトル dE_s/df_s を積分して SGWB をモデル化する。
• GW エネルギーを標準 PTA フレームワークの方程式を介してひずみ h_c(f) とエネルギー密度 Ω_GW(f) に結びつける。
• 保守的な BH 集団を仮定し、α<0.5 および高自転 SMBH が結果に与える影響を論じる。

Figure 1: The super-massive black holes dressed with the compact axion cloud in the Universe as the possible source of nano-Hertz SGWB. The energy-level transition process in the axion cloud can radiate GWs continuously, which fall in the band around nano-Hertz. Consequently, the PTA could potential

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PTAs により観測されたナノヘルツ SGWB は、超放射によって形成された SMBH 周りのアクシオン雲からの GW 放出で説明できるか。
• RQ2 PTA SGWB の振幅とスペクトル形状から、どの超軽量アクシオン質量範囲が支持・否定されるか。
• RQ3 SMBH 集団（質量、スピン）は、重力原子遷移から予測される SGWB にどのように影響するか。
• RQ4 現時点の PTA 測定は、10^-22–10^-21 eV 範囲のファジーDM をどれだけ制約するか。

主な発見

• SMBH 周りのアクシオン雲による重力原子遷移からの SGWB は、アクシオン質量が約 10^-20 eV のとき PTA 観測を再現できる。
• 10^-22〜10^-21 eV のアクシオン質量（ファジー DM 範囲）は、現在の PTA データでは支持されない。
• 特定のアクシオン質量に対して、背景には関与する広い SMBH 質量範囲のため、SGWB 信号は周波数的に広い。
• 低質量のアクシオンは低周波数でより強い GW 信号を生み出しやすく、高質量は寄与を高周波へシフトさせる。
• この分析は、ナノヘルツ SGWB をアクシオン雲遷移として解釈する場合、好ましいアクシオン質量領域が約 10^-20 eV であることを示唆している。

Figure 2: The parameter space of BH and axion masses with the transition rate and $\alpha$ constraints. The three black lines represent the parameters with different frequencies of GWs from the gravitational atom transition. We use the red dashed line to label the parameters satisfying $\Gamma_{\tex