[论文解读] Gravitational wave tests of quantum modifications to black hole structure

Steven B. Giddings|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 2

一句话总结

本文研究了黑洞双星旋近过程中的引力波观测是否能够探测到黑洞结构的量子修正，提出在旋近和并合阶段偏离广义相对论的特征可能暗示此类效应。GW150914 与经典波形的近乎一致，限制了某些量子修正情景，凸显了改进理论预测和针对性数据分析的必要性。

ABSTRACT

A preliminary discussion is given of the prospects that gravitational-wave observations of binary inspiral of black holes could reveal or constrain quantum modifications to black hole dynamics, such as are required to preserve postulates of quantum mechanics. Different proposals for such modifications are characterized by different scales, and the size of these scales relative to those probed by observation of inspiral signals is important in determining the feasibility of finding experimental signatures. Certain scenarios with strong quantum modifications in a region extending well outside the horizon are expected to modify classical evolution, and distort the near-peak gravitational wave signal, suggesting a search for departures from waveforms predicted by general relativity. The near agreement of the GW150914 signal with such waveforms is discussed, and indicates constraints on some such scenarios. Important strategies for more precise future tests are 1) to develop more precise predictions from scenarios proposing quantum modifications, and 2) searching for observed deviations from numerical relativity predictions via analysis of gravity wave data, particularly focussing on the signal region corresponding to plunge and merger.

研究动机与目标

• 评估通过黑洞双星旋近的引力波观测探测量子修正对黑洞动力学影响的可行性。
• 识别延伸至事件视界之外的量子修正的可观测特征，这些特征会扭曲引力波形。
• 评估 GW150914 观测对所提出的量子修正黑洞模型施加的约束。
• 概述未来通过改进的理论预测和聚焦于旋近与并合阶段的数据分析，实现高精度测试的策略。

提出的方法

• 通过其能量或长度尺度相对于引力波观测频带，表征量子修正情景。
• 分析视界外强量子效应如何改变经典旋近波形，特别是在波形振幅峰值附近。
• 将观测到的引力波信号（尤其是 GW150914）与广义相对论及数值相对论模拟的预测进行比较。
• 将数据分析聚焦于旋近和并合区域，因为这些区域最可能出现偏离经典行为的迹象。
• 为量子修正黑洞动力学开发更精确的理论预测，以实现与数据的定量对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑洞双星旋近的引力波信号是否能揭示由于量子修正导致的广义相对论偏离？
• RQ2 当前引力波观测（如 GW150914）对特定量子修正黑洞模型的敏感度如何？
• RQ3 延伸至事件视界之外的量子修正如何影响旋近与并合阶段引力波波形的形态？
• RQ4 在探测黑洞结构中量子效应方面，最有效的理论与观测策略是什么？

主要发现

• GW150914 信号与广义相对论波形的近乎一致，对那些具有显著量子效应延伸至视界之外的量子修正黑洞情景施加了约束。
• 在事件视界之外存在显著量子修正的情景，预计会扭曲接近峰值的引力波信号，从而提供潜在的观测特征。
• 未来测试将得益于对量子修正动力学更精确的理论预测，以实现与数据的定量比较。
• 对引力波数据在旋近与并合区域进行针对性分析，是检测偏离数值相对论预测的最有利机会。