[论文解读] Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave background on ultralight axion particles

Jing Yang, Ning Xie+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

这项工作将 PTA 观测到的纳赫兹随机引力波背景与 Kerr 黑洞周围的超轻轴子联系起来，发现对轴子质量在 ~10^-20 eV 的支持，并约束在 10^-22–10^-21 eV 的模糊暗物质。

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.

研究动机与目标

• 通过 Kerr 黑洞周围的超辐射来动机化超轻轴子作为暗物质和通过 Kerr 黑洞周围的超辐射轴子云潜在 GW 来源。
• 建模 SMBH 和轴子云形成的引力原子并计算来自轴子能级跃迁的 GW 发射。
• 通过对这类系统的宇宙学群体预测 SGWB 谱并与 PTA 数据比较以约束轴子质量。
• 探讨当前 PTA 测量如何影响超轻轴子和模糊 DM 的可行参数空间。

提出的方法

• 描述 Kerr BH 中轴子云通过超辐射形成的过程，并定义引力细结构常数 α=GM_b m_a。
• 使用 quadrupole 公式计算主导能级跃迁的 GW 功率，Δω≈(5/72) α^2 m_a。
• 对饱和超辐射，估算跃迁驱动的 GW 光度，其中 N_0≈α M_b/m_a，N_1≈α M_b/(3 m_a)。
• 通过将能量谱 dE_s/df_s 对宇宙 BH 群体进行积分、采用选定的自旋和质量分布，来建模 SGWB。
• 通过标准 PTA 框架方程将 GW 能量与应变 h_c(f) 和能量密度 Ω_GW(f) 联系起来。
• 假设一个保守的 BH 群体，并讨论 α<0.5 和高自旋 SMBH 对结果的影响。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 PTAs 观测到的纳赫兹 SGWB 是否可以通过由超辐射形成的 SMBH 周围轴子云发出的 GW 来解释？
• RQ2 在 PTA SGWB 的振幅和光谱形状下，哪些超轻轴子质量范围被偏好或不被偏好？
• RQ3 SMBH 群体（质量、自旋）如何影响通过引力原子跃迁预测的 SGWB？
• RQ4 当前 PTA 测量在多大程度上约束了 10^-22–10^-21 eV 范围的模糊 DM？

主要发现

• 具有轴子云围绕 SMBH 的引力原子跃迁产生的 SGWB 可以在轴子质量约为 10^-20 eV 时重现 PTA 观测。
• 10^-22 到 10^-21 eV 的轴子质量（模糊 DM 范围）当前 PTA 数据并不偏好。
• 对于给定的轴子质量，SGWB 信号在频率上较宽，因为对背景有贡献的 SMBH 质量范围较广。
• 较低的轴子质量在较低频段产生更强的 GW 信号，而较高的轴子质量则将贡献转移到较高频段。
• 分析表明，当把纳赫兹 SGWB 解释为轴子云跃迁时，受偏好的轴子质量区域大致在 10^-20 eV 左右。

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