[논문 리뷰] Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave background on ultralight axion particles

Jing Yang, Ning Xie외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 PTAs가 탐지한 나노헤르츠 확률적 중력파 배경을 Kerr 블랙홀 주위의 초가벼운 axions와 연결하고, 질량이 약 10^-20 eV인 axion에 대한 지지를 찾으며 10^-22–10^-21 eV 퍼지 DM를 제약한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Kerr 블랙홀 주위의 초가벼운 axion 구름을 통해 암흑물질 및 잠재적 GW 소스 가능성으로서의 초가벼운 axions를 동기화한다.
• SMBH와 axion 구름이 형성하는 중력 원자(gravitational atoms)를 모델링하고 axion 에너지 준위 전이에서 GW 방출을 계산한다.
• 이러한 시스템의 우주적 모집단에서 SGWB 스펙트럼을 예측하고 PTA 데이터와 비교하여 axion 질량을 제약한다.
• 현재 PTA 측정이 초가벼운 axions 및 퍼지 DM의 가능한 매개변수 공간에 어떤 영향을 미치는지 탐색한다.

제안 방법

• axion 구름 형성을 Kerr BH에서 superradiance를 통해 설명하고 gravitational fine-structure constant α=GM_b m_a를 정의한다.
• dominant energy-level transition GW 파워를 quadrupole 공식으로 계산하되 Δω≈(5/72) α^2 m_a를 사용한다.
• 포화된 superradiance에 대해 N_0≈α M_b/m_a 및 N_1≈α M_b/(3 m_a)로 전이가 유발하는 GW 광도를 추정한다.
• SGWB를 선택한 스핀 및 질량 분포를 가진 우주 BH 모집단에 걸쳐 dE_s/df_s의 에너지 스펙트럼 적분으로 모델링한다.
• GW 에너지를 표준 PTA 프레임워크 방정식을 통해 h_c(f) 및 에너지 밀도 Ω_GW(f)와 연결한다.
• α<0.5 및 고스핀 SMBH의 영향에 대해 보수적인 BH 모집단 가정을 가정하고 결과에 미치는 영향을 논의한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PTAs가 관측한 나노헤르츠 SGWB가 SMBH 주위 axion 구름의 GW 방출로 설명될 수 있는가? 이는 superradiance로 형성된 것인가?
• RQ2 PTA SGWB의 진폭 및 스펙트럼 형태에 의해 선호되거나 비선호되는 초가벼운 axion 질량 범위는 무엇인가?
• RQ3 SMBH 모집단(질량, 자극상태)이 그라비테이셔널 아톰 전이에서의 SGWB 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재 PTA 측정이 10^-22–10^-21 eV 범위의 퍼지 DM를 얼마나 제약하는가?

주요 결과

• axion 구름이 있는 SMBH로부터의 중력 원이동 전이에서의 SGWB가 axion 질량이 약 10^-20 eV인 경우 PTA 관측을 재현할 수 있다.
• 10^-22에서 10^-21 eV의 axion 질량(퍼지 DM 범위)은 현재 PTA 데이터에 의해 지지되지 않는다.
• 주어진 axion 질량에 대해 배경에 기여하는 광범위한 SMBH 질량 분포로 인해 SGWB 신호는 주파수에서 넓다.
• 더 낮은 axion 질량은 낮은 주파수에서 더 강한 GW 신호를 내고, 더 높은 질량은 기여를 더 높은 주파수로 옮긴다.
• nano-Hertz SGWB를 axion-cloud 전이로 해석할 때 선호되는 axion 질량 영역은 약 10^-20 eV임을 시사한다.

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