黑洞超辐射与类轴子粒子质量

作     者：程磊东 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁作堂;张宏;鲍守山

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070401[理学-天体物理] 0704[理学-天文学] 

主      题：类轴子 黑洞超辐射 引力波探测 贝叶斯分析 

摘      要：在旋转黑洞的事件视界和静界之间的区域被称为能层。满足一定条件的标量场入射到能层会发生超辐射,从而提取出黑洞的旋转能量。当超轻的类轴子粒子的康普顿波长与黑洞引力半径相当的时候,类轴子会被引力束缚在克尔黑洞外,形成类似原子核外电子云的类轴子云。当类轴子的质量与黑洞的角动量满足一定条件时,类轴子云会因为持续不断地发生超辐射而不断增长。相应地,黑洞的自旋角动量不断下降直到超辐射条件不再满足。所以类轴子的存在会影响黑洞的自旋分布。超辐射的速率取决于类轴子的质量、黑洞的质量以及黑洞的初始自旋,那么经过超辐射后黑洞的自旋也与上述三个参数有关。所以,使用黑洞质量和自旋的观测数据可以限制类轴子的质量范围。截止到2021年,LIGO-Virgo-KAGRA共发布了 93个引力波事件,其中大部分都来自双黑洞系统。实验给出了黑洞在合并前的质量和自旋参数。尽管对自旋的测量误差比较大,我们还是通过贝叶斯分析的方法对类轴子的质量做出约束。本文采用贝叶斯分析的方法,分析了 LIGO-Virgo-KAGRA三期的黑洞数据。在使用贝叶斯分析对类轴子的质量参数进行估计的时候需要许多先验的分布,最主要的是黑洞初始的自旋以及超辐射的持续时间,本文对此进行了详尽的讨论。除此之外,我们还采用改进了的更精确的超辐射率的计算方法。基于以上方法和现有的引力波数据,我们发现黑洞自旋先验和超辐射持续时间的选取对结果影响很大。但是有意思的是,尽管在不同的假设下,贝叶斯因子差别比较大,支持类轴子存在的两个质量区间-12.16 ≤ log(μ/eV)≤-12.05 和-11.83≤log(μ/eV)≤-11.76 却基本不变。通过实验观测黑洞自旋分布对类轴子质量更精确的分析,需要将来更多更确切的黑洞自旋的测量以及黑洞产生时的信息。