[论文解读] Bounds on ultralight bosons from the Event Horizon Telescope observation of Sgr A$^*$

Akash Kumar Saha, Priyank Parashari+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文利用事件视界望远镜（EHT）对人马座A*的观测，通过黑洞的轴子反常辐射（superradiance）约束了超轻玻色子（ULBs）。通过假设人马座A*未因ULB诱导的轴子反常辐射不稳定性而被减速自转，该研究推导出对ULB质量及轴子衰变常数的新约束，尤其针对自旋参数为0.94的情况，探测了量子色动力学轴子参数空间中此前未被探索的区域。

ABSTRACT

Recent observation of Sagittarius A$^*$ (Sgr A$^*$) by the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration has uncovered various unanswered questions in black hole (BH) physics. Besides, it may also probe various beyond the Standard Model (BSM) scenarios. One of the most profound possibilities is the search for ultralight bosons (ULBs) using BH superradiance (SR). EHT observations imply that Sgr A$^*$ has a non-zero spin. Using this observation, we derive bounds on the mass of ULBs with purely gravitational interactions. Considering self-interacting ultralight axions, we constrain new regions in the parameter space of decay constant, for a certain spin of Sgr A$^*$. Future observations of various spinning BHs can improve the present constraints on ULBs.

研究动机与目标

• 利用事件视界望远镜（EHT）对人马座A*的非零自旋观测，约束超轻玻色子（ULBs）的质量与耦合常数。
• 研究由ULBs驱动的轴子反常辐射不稳定性如何可能使人马座A*自转减慢，并据此利用其观测到的高自旋状态排除某些ULB参数。
• 考虑轴子之间自相互作用的影响，这些影响可能抑制轴子反常辐射云的增长，从而改进对轴子衰变常数的约束。
• 利用最新的EHT数据，识别出超轻轴子参数空间中此前未被探索的新区域。

提出的方法

• 利用旋转黑洞的轴子反常辐射条件：ω/m < Ω_H，其中ω为ULB的能量，Ω_H为视界角速度。
• 通过引力精细结构常数 α = G_N M_BH μ_b 量化轴子反常辐射不稳定性效率，其中μ_b为ULB质量。
• 利用EHT观测数据假设人马座A*的自旋参数为 a_* = 0.5 或 a_* = 0.94，并在假设轴子反常辐射未发生的情况下，推导出对ULB质量（标量、矢量、张量）的约束。
• 通过四次耦合 λ ∝ μ_a²/f_a² 考虑轴子之间的自相互作用，该效应可抑制轴子反常辐射云的增长，从而约束衰变常数 f_a。
• 利用未观测到自转减慢的事实，在轴子参数空间（μ_a 与 f_a）中构建排除区域，约束基于主导的轴子反常辐射模式。
• 将结果与文献中已有约束进行比较，并识别出QCD轴子参数空间中新的未探索区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于EHT观测推断的人马座A*未发生自转减慢，其观测结果排除了哪些质量范围的超轻玻色子（标量、矢量、张量）？
• RQ2 轴子之间的自相互作用如何影响对轴子衰变常数 f_a 的约束？
• RQ3 EHT对人马座A*自旋为0.94的观测，探测了QCD轴子参数空间的哪些新区域？
• RQ4 轴子反常辐射约束如何依赖于人马座A*的假设自旋参数？每类ULB所需的最小自旋值是多少？
• RQ5 未来EHT对人马座A*自旋的测量在多大程度上能增强这些ULB约束的稳健性？

主要发现

• 对于人马座A*自旋参数为0.94的情况，EHT观测将标量、矢量和张量超轻玻色子的质量约束在 μ_S ∈ (1.6×10⁻¹⁸, 8.3×10⁻¹⁸) eV、μ_V ∈ (3.2×10⁻¹⁹, 8.3×10⁻¹⁸) eV 和 μ_T ∈ (8.8×10⁻¹⁹, 8.3×10⁻¹⁸) eV 之间。
• ULB质量的下限对自旋参数的依赖较弱，而上限主要由轴子反常辐射条件和黑洞质量决定。
• 约束标量、矢量和张量ULB所需的最小自旋值分别为 a_* = 0.22、0.05 和 0.13；低于这些值时，不存在共同的约束区域。
• 对于人马座A*自旋为0.94的情况，未观测到轴子反常辐射自转减慢，探测了QCD轴子参数空间中质量介于1.73×10⁻¹⁷ eV 至 2.33×10⁻¹⁷ eV 的新区域。
• 轴子之间的自相互作用会抑制轴子反常辐射云的增长，因此未观测到此类增长，使得在质量范围1.73×10⁻¹⁷ eV 至 2.33×10⁻¹⁷ eV 内，对轴子衰变常数 f_a 的约束更强。
• 结果与已有约束存在重叠，但扩展到了此前未探索的区域，尤其在高自旋人马座A*情况下，凸显了EHT数据对标准模型之外新物理的高灵敏度。