[论文解读] Quantum Love

Ram Brustein, Yotam Sherf|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 56被引用 7

一句话总结

该论文表明，由于其离散的量子能谱，量子黑洞（BHs）表现出非零且为负的四极电Love数，其中主要贡献来自第一激发能级。通过使用时间无关的量子微扰理论，该研究显示这些量子Love数可能在双星旋近过程中对引力波产生可观测的印记，从而将其与经典黑洞及奇异致密天体区分开来。

ABSTRACT

The response of a gravitating object to an external tidal field is encoded in its Love numbers, which identically vanish for classical blackholes (BHs). Here we show, using standard time-independent quantum perturbation theory, that for a quantum BH, generically, the Love numbers are nonvanishing and negative, and that their magnitude depends on the lowest lying levels of the quantum spectrum of the BH. We calculate the quadrupolar electric quantum Love number of nonrotating BHs and show that it depends most strongly on the first excited level of the quantum BH. We then compare our results to the same Love number of exotic ultra compact objects and to that of classical compact stars and highlight their different parametric dependence. Finally, we discuss the detectability of the quadrupolar quantum Love number in future precision gravitational-wave observations and show that, under favourable circumstances, its magnitude is large enough to imprint an observable signature on the gravitational waves emitted during the inspiral phase of two moderately spinning BHs.

研究动机与目标

• 使用量子微扰理论研究量子黑洞的潮汐响应。
• 确定量子效应是否在黑洞中诱导出非零Love数，与经典广义相对论相反。
• 比较量子黑洞Love数与经典致密星及奇异超致密天体的参数依赖性。
• 评估在双黑洞旋近引力波信号中探测量子Love数的可能性。

提出的方法

• 应用标准的时间无关量子微扰理论，以模拟量子黑洞的潮汐响应。
• 将非旋转黑洞的四极电Love数作为主要可观测量进行聚焦。
• 识别量子黑洞谱中最低激发能级为Love数的主要贡献者。
• 计算Love数对黑洞第一激发态能级的依赖关系。
• 将所得的量子Love数与经典致密星及奇异超致密天体的Love数进行比较。
• 评估中等自旋双星系统在旋近阶段引力波信号中量子Love效应的信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于其离散的量子谱，量子黑洞是否表现出非零的潮汐Love数？
• RQ2 量子黑洞的四极电Love数如何依赖于其最低激发能级？
• RQ3 量子黑洞、经典致密星与奇异超致密天体的Love数之间存在何种参数差异？
• RQ4 黑洞的量子Love数是否能在引力波观测中产生可探测的特征？

主要发现

• 量子黑洞的四极电Love数通常非零且为负，与经典黑洞中其恒为零的情况形成鲜明对比。
• Love数的大小主要受量子黑洞谱中第一激发态能量的影响。
• 与经典致密星及奇异超致密天体相比，量子Love数表现出独特的参数依赖性。
• 在有利的天体物理条件下，量子Love数可能在中等自旋双黑洞旋近过程中引起引力波信号的可观测偏差。
• 该效应足够显著，可被未来的高精度引力波探测器探测到，为黑洞微观结构提供潜在的量子信号。