[논문 리뷰] Superradiance and the Spins of Black Holes from LIGO and X-ray binaries

Nicolas Fernandez, Akshay Ghalsasi외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 18.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LIGO 중력파 사건과 X선 이중성계에서 블랙홀 스핀을 베이지안 추론을 통해 분석하여, 초경량 보손의 수퍼레디언스가 이중성계에서 낮은 스핀과 X선 이중성계에서 높은 스핀을 설명할 수 있음을 보여준다. LIGO 데이터로부터 비자기상호작용 보손의 선호 질량 범위는 $3.4\times10^{-12}$에서 $5.6\times10^{-12}$ eV이며, X선 이중성계 관측과 일치하는 자가상호작용 보손의 더 넓은 범위를 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• LIGO와 X선 이중성계에서 관측된 별질량 블랙홀의 스핀 분포를 초경량 보손의 수퍼레디언스가 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• LIGO의 10개의 이중성계 블랙홀 병합 사건에 기반해 초경량 보손의 질량 및 자가상호작용 강도 파rameter를 결정하기 위해.
• 이중성계 동반성의 중력적 교란이 수퍼레디언스 효율성과 스핀 진화에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• X선 이중성계에서 관측된 높은 스핀을 자가상호작용을 가진 초경량 보손의 수퍼레디언스로 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• X선 이중성계의 블랙홀들이 수퍼레디언스로 인해 레그 트랙토리에 갇혀 있다는 가설을 베이지안 추론을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• LIGO의 10개의 이중성계 블랙홀 병합 사건을 기반으로 초경량 보손 질량과 자가상호작용 강도의 사후 분포를 추론하기 위해 계층적 베이지안 프레임워크를 사용하였다.
• LIGO 시스템에서 이중성계 동반성의 중력적 교란이 수퍼레디언스에 미치는 영향까지 포함하여 블랙홀 스핀 진화에 대한 수퍼레디언스의 영향을 통합하였다.
• X선 이중성계 데이터(9개 시스템의 질량 및 스핀 측정치)를 사용하여 보손 파rameter를 제약하였으며, 수퍼레디언스가 레그 트랙토리 수준에서 스핀 진화를 정지시킨다고 가정하였다.
• 열역학 제2법칙에서 유도된 수퍼레디언스 조건을 적용하여, 스핀 감소 과정에서 엔트로피(사건의 지평선 면적)가 증가하도록 보장하였다.
• 블랙홀 질량 $M$과 보손 질량 $\mu$를 연결하는 중력 미세구조상수 $\alpha = G_N M \mu / \hbar c$를 사용하여 수퍼레디언스 효율성과 연관지어 분석을 校정하였다.
• 특히 시리우스 X-1에서 비대칭 스핀 불확실성에 대해 대칭 오차 근사를 사용하여 사후 추론의 일관성을 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO 이중성계 블랙홀 병합에서 관측된 낮은 스핀 분포를 설명할 수 있는 비자기상호작용 초경량 보손의 선호 질량은 무엇인가?
• RQ2 이중성계 동반성의 중력적 교란은 수퍼레디언스 효율성과 병합 블랙홀의 스핀 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자기상호작용이 비영인 초경량 보손의 수퍼레디언스로 X선 이중성계 시스템에서 관측된 높은 스핀 측정치를 설명할 수 있는가?
• RQ4 X선 이중성계에서 관측된 블랙홀 스핀 패턴은 수퍼레디언스로 인해 레그 트랙토리에 갇혀 있다는 것과 일치하는가?
• RQ5 LIGO와 X선 이중성계 데이터 양측과 통계적으로 일치하는 초경량 보손 질량 및 자가상호작용 강도의 허용 범위는 무엇인가?

주요 결과

• LIGO 데이터의 베이지안 분석은 비자기상호작용 초경량 보손의 선호 질량 범위가 $3.4\times10^{-12}$에서 $5.6\times10^{-12}$ eV임을 도출하였으며, 이는 블랙홀 스핀 감소를 유도하는 수퍼레디언스와 일치한다.
• 10개의 LIGO 사건만으로는 유도된 보손 질량의 통계적 유의성은 제한되어 있으나, 이 결과는 O2 데이터에 대한 이전의 베이지안 분석과 일치한다.
• X선 이중성계 데이터는 자가상호작용을 가진 초경량 보손의 수퍼레디언스가 GRS 1915+105와 시리우스 X-1와 같은 시스템에서 관측된 높은 스핀을 설명할 수 있음을 시사한다.
• 분석 결과, $q=2, n=4$인 보손의 질량 범위는 $6.8\times10^{-12}$에서 $1.12\times10^{-11}$ eV이며, $q=3, n=5$인 경우 $1\times10^{-11}$에서 $1.63\times10^{-11}$ eV로, 레그 트랙토리에 갇힘과 일치한다.
• X선 이중성계에서 관측된 스핀 패턴은 블랙홀들이 레그 트랙토리에 갇혀 있다는 것으로 가장 잘 설명되며, 이 경우 $q$와 $n$ 값은 허용 질량 범위를 최대화하도록 선택된다.
• 미래 LIGO 데이터에서 약 $\mathcal{O}(1000)$개의 사건이 확보될 경우 초경량 보손에 대한 제약이 크게 향상되어 비자기상호작용 입자를 탐지하거나 배제할 수 있을 것이다.