[論文レビュー] Superradiance and the Spins of Black Holes from LIGO and X-ray binaries

Nicolas Fernandez, Akshay Ghalsasi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、LIGOの重力波イベントとX線連星からのブラックホールスピンをベイズ推論を用いて分析し、超軽量ボソンによるスーパー放射が二重合体の低スピンと連星X線源の高スピンを説明可能であることを示している。LIGOデータから非自己相互作用ボソンの好ましい質量範囲は $3.4\times10^{-12}$ から $5.6\times10^{-12}$ eV であり、X線連星観測と整合する自己相互作用ボソンの広い範囲が得られている。

ABSTRACT

Measurements of the spin of stellar mass black holes (BHs) are now possible both through LIGO observations of binary BH mergers and for BHs in X-ray binary systems. The spins of BHs as inferred from LIGO observations suggest that BH spins are on the lower end of what is expected for a ``flat'' distribution of spins, while those from BHs in X-ray binaries tend to be large. Superradiance, a process that can effectively reduce the spin of BHs before they merge, could explain the lower observed spins in binary BH mergers for a non self-interacting light boson. In this paper, we use Bayesian analysis to infer the posterior probability distribution for the mass of a light boson that could fit LIGO data. We also analyze spins of BHs from X-ray binaries, and find that the X-ray binary data can be explained by superradiance due to a light boson with large self-interactions. We infer the mass range for such a boson that is consistent with the X-ray binary data.

研究の動機と目的

• LIGOとX線連星から観測された恒星質量ブラックホールのスピン分布が、超軽量ボソンによるスーパー放射によって説明可能かどうかを調査すること。
• LIGOの10件の二重ブラックホール合体観測に一致する超軽量ボソンの質量および自己相互作用パラメータを特定すること。
• 二重連星の同伴からの重力的摂動が、スーパー放射の効率およびスピン進化に与える影響を評価すること。
• X線連星で観測された高スピンが、自己相互作用を持つ超軽量ボソンによるスーパー放射によって説明可能かどうかを検証すること。
• X線連星のブラックホールがスーパー放射によってレッジ軌道に捕らえられているという仮説を、ベイズ推論を用いて検証すること。

提案手法

• LIGOの10件の二重ブラックホール合体イベントを用いて、超軽量ボソン質量および自己相互作用強度の事後分布を推定する階層ベイズフレームワークを採用した。
• LIGOシステムにおける二重連星同伴の重力的摂動の影響を含めた、ブラックホールスピン進化へのスーパー放射の影響を組み込んだ。
• X線連星データ（9系統の質量およびスピン測定）を用い、スーパー放射がスピン進化をレッジ軌道レベルで停止させると仮定してボソンパラメータを制約した。
• エントロピー（事象の地平面面積）がスピンダウン中に増加することを保証する、熱力学第二法則に基づくスーパー放射条件を適用した。
• ブラックホール質量 $M$ とボソン質量 $\mu$ を結ぶ重力的精细構造定数 $\alpha = G_N M \mu / \hbar c$ を用いて、スーパー放射効率と関連づけた。
• X線連星における非対称スピン不確実性（特にCygnus X-1）に対して対称誤差近似を用い、事後推論の一貫性を保った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGOの二重ブラックホール合体で観測された低スピン分布を説明する非自己相互作用超軽量ボソンの好ましい質量は何か？
• RQ2 二重連星の同伴からの重力的摂動は、スーパー放射の効率および合体ブラックホールのスピン進化にどのように影響するか？
• RQ3 X線連星系で観測された高スピンは、非ゼロの自己相互作用を持つ超軽量ボソンによるスーパー放射で説明可能か？
• RQ4 X線連星の観測スピンパターンは、スーパー放射によってレッジ軌道に捕らえられていると一致するか？
• RQ5 LIGOおよびX線連星データと統計的に整合する超軽量ボソン質量および自己相互作用強度の許容範囲は何か？

主な発見

• LIGOデータのベイズ解析により、非自己相互作用超軽量ボソンの好ましい質量範囲は $3.4\times10^{-12}$ から $5.6\times10^{-12}$ eV であり、ブラックホールスピンの低下を説明するスーパー放射と整合している。
• 10件のLIGOイベントしか入手できないため、推定ボソン質量の統計的有意性は限定的であるが、O2データの先行ベイズ解析と整合している。
• X線連星データは、自己相互作用を持つ超軽量ボソンによるスーパー放射が、GRS 1915+105 や Cygnus X-1 のような高スピンを説明可能であることを示唆している。
• ボソンの $q=2, n=4$ の場合、質量範囲は $6.8\times10^{-12}$ から $1.12\times10^{-11}$ eV であり、$q=3, n=5$ の場合、$1\times10^{-11}$ から $1.63\times10^{-11}$ eV であり、いずれもレッジ軌道捕らえと整合している。
• X線連星における観測スピンパターンは、ブラックホールがレッジ軌道に捕らえられていることによって最もよく説明され、$q$ および $n$ の値は許容質量範囲を最大化するように選ばれている。
• 将来のLIGOデータ（$\mathcal{O}(1000)$ 件）により、超軽量ボソンの制約が著しく改善され、非自己相互作用粒子の検出または除外が可能になる。