[论文解读] 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 11

一句话总结

本文利用贝叶斯推断分析来自LIGO引力波事件和X射线双星的黑洞自旋，表明来自超轻玻色子的轴向辐射可解释双星并合中观测到的低自旋以及X射线双星中观测到的高自旋。基于LIGO数据，非自相互作用玻色子的优选质量范围为$3.4\times10^{-12}$至$5.6\times10^{-12}$ eV；而自相互作用玻色子的质量范围更广，与X射线双星观测结果一致。

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.

研究动机与目标

• 研究超轻玻色子的轴向辐射是否能解释来自LIGO和X射线双星的恒星级黑洞自旋分布。
• 确定与LIGO观测到的10次双黑洞并合事件一致的超轻玻色子质量与自相互作用参数。
• 评估双星伴星引起的引力扰动对轴向辐射效率及自旋演化的影响。
• 评估X射线双星中观测到的高自旋是否能通过自相互作用玻色子的轴向辐射来解释。
• 使用贝叶斯推断检验假设：X射线双星中的黑洞因轴向辐射而被束缚在Regge轨迹上。

提出的方法

• 采用分层贝叶斯框架，利用LIGO的10次双黑洞并合事件推断超轻玻色子质量与自相互作用强度的后验分布。
• 纳入了轴向辐射对黑洞自旋演化的影响，包括LIGO系统中双星伴星引起的引力扰动。
• 利用X射线双星数据（来自9个系统的质量与自旋测量）约束玻色子参数，假设轴向辐射使自旋演化在Regge轨迹水平处停止。
• 应用从热力学第二定律推导出的轴向辐射条件，确保在自旋下降过程中熵（视界面积）增加。
• 使用引力精细结构常数$\alpha = G_N M \mu / \hbar c$校准分析，将黑洞质量$M$与玻色子质量$\mu$关联至轴向辐射效率。
• 对X射线双星中不对称自旋不确定度（特别是Cygnus X-1）采用对称误差近似，以保持后验推断的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 什么质量的非自相互作用超轻玻色子最能解释LIGO双黑洞并合中观测到的低自旋分布？
• RQ2 双星伴星引起的引力扰动如何影响轴向辐射效率及并合黑洞的自旋演化？
• RQ3 X射线双星系统中观测到的高自旋是否能通过具有非零自相互作用的超轻玻色子的轴向辐射来解释？
• RQ4 X射线双星中观测到的黑洞自旋是否呈现出与因轴向辐射而被束缚在Regge轨迹上的模式一致？
• RQ5 与LIGO和X射线双星数据在统计上一致的超轻玻色子质量与自相互作用强度的允许范围是什么？

主要发现

• 对LIGO数据的贝叶斯分析得出，非自相互作用超轻玻色子的优选质量范围为$3.4\times10^{-12}$至$5.6\times10^{-12}$ eV，与轴向辐射降低黑洞自旋的解释一致。
• 由于仅检测到10次LIGO事件，推断出的玻色子质量的统计显著性有限，但结果与先前对O2数据的贝叶斯分析一致。
• X射线双星数据表明，自相互作用超轻玻色子的轴向辐射可解释如GRS 1915+105和Cygnus X-1等系统中观测到的高自旋。
• 该分析识别出：对于$q=2, n=4$，玻色子的质量范围为$6.8\times10^{-12}$至$1.12\times10^{-11}$ eV；对于$q=3, n=5$，质量范围为$1\times10^{-11}$至$1.63\times10^{-11}$ eV，与Regge轨迹束缚一致。
• X射线双星中观测到的自旋模式最合理的解释是黑洞被束缚在Regge轨迹上，且$ q $和$ n $的取值使允许的质量范围最大化。
• 未来LIGO数据若包含$\mathcal{O}(1000)$次事件，将显著改善对超轻玻色子的约束，从而能够探测或排除非自相互作用粒子。