Sondando bósons ultraleves com observações LISA de fusões de buracos negros giratórios e pesquisas de acompanhamento de remanescentes de fusões

Os bósons ultraleves podem desencadear instabilidades superradiantes em torno de buracos negros em rotação, extraindo momento angular e levando, em alguns casos, a assinaturas gravitacionais observáveis. Quando a escala de tempo de spin-down associada é mais curta do que a vida útil do buraco negro e as escalas de tempo de spin-up devido, por ex.

Acréscimo, este processo impõe um limite superior às rotações do buraco negro. A formação e subsequente dissipação de nuvens de bósons gera emissão de ondas gravitacionais quase contínuas.

Neste trabalho, exploramos as perspectivas de restrição e detecção de bósons ultraleves com observações de fusões binárias de buracos negros massivos com o observatório LISA baseado no espaço. Consideramos duas abordagens complementares: medições de rotações de buracos negros a partir de binários em fusão e pesquisas de ondas gravitacionais de acompanhamento visando remanescentes de fusões binárias de buracos negros massivos.

Consideramos três modelos populacionais para buracos negros massivos, baseados em sementes pesadas ou leves, e prevemos as probabilidades de exclusão e detecção para bósons escalares e vetoriais. Descobrimos que as medições de spin do buraco negro podem restringir massas escalares no intervalo $[5\times10^{-18}, 10^{-14}]$ eV e massas vetoriais no intervalo $[6\times10^{-19}, 2\times10^{-14}]$ eV, com o intervalo exato dependendo do modelo.

Em contraste, restringindo-se aos bósons vetoriais, as pesquisas de ondas gravitacionais de acompanhamento são sensíveis a uma faixa de massa de bósons vetoriais mais estreita de $\sim[3\times10^{-17}, 3\times10^{-15}]$ eV, com os valores específicos novamente dependendo do modelo.

Se existisse um bóson vetorial com massa na faixa $[10^{-16}, 2\times10^{-15}]$ eV, a probabilidade de haver um evento ao qual as pesquisas de acompanhamento seriam sensíveis varia de muito pequeno a próximo da unidade, dependendo do modelo astrofísico.

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