Unterscheidung von Umwelteinflüssen auf die Gravitationswellenformen binärer Schwarzer Löcher

Nature Astronomy (2023)Diesen Artikel zitieren

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Zukünftige Gravitationswelleninterferometer wie die Laser Interferometer Space Antenna, Taiji, das DECi-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory und TianQin werden Präzisionsstudien der Umgebung von Schwarzen Löchern ermöglichen. Diese Detektoren werden den Millihertz-Frequenzbereich untersuchen, der von aktuellen Gravitationswellendetektoren noch nicht erforscht wird. Darüber hinaus bleiben die Quellen bis zu Jahren im Band, was bedeutet, dass die Inspirationsphase des Gravitationswellensignals, die durch die Umgebung beeinflusst werden kann, beobachtbar sein wird. In dieser Arbeit untersuchen wir binäre Schwarzlochspiralen mittlerer und extremer Massenverhältnisse und betrachten drei mögliche Umgebungen rund um das primäre Schwarze Loch: Akkretionsscheiben, Spitzen aus dunkler Materie und Wolken aus ultraleichten Skalarfeldern, auch bekannt als Gravitationsatome. Wir präsentieren eine Bayes'sche Analyse der Erkennbarkeit und Messbarkeit dieser drei Umgebungen. Indem wir uns der Konkretheit halber auf den Fall einer Detektion mit LISA konzentrieren, zeigen wir, dass der charakteristische Abdruck, den sie auf der Gravitationswellenform hinterlassen, es uns ermöglichen würde, die Umgebung zu identifizieren, die das Signal erzeugt hat, und ihre Modellparameter genau zu rekonstruieren.

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Auf den HaloFeedback-Code kann unter Ref. zugegriffen werden. 61. Auf den pydd-Code kann unter https://github.com/adam-coogan/pydd zugegriffen werden. Für spezifische Anpassungen dieser Codes, die für dieses Manuskript vorgenommen wurden, senden Sie bitte eine E-Mail an [email protected].

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Wir danken P. Pani und S. Witte für hilfreiche Diskussionen. PSC dankt dem Institut für Physik der Universität Amsterdam für seine Unterstützung. AC erhielt Fördermittel von der Schmidt Futures Foundation. DG wurde von der spanischen MINECO durch das Ramon y Cajal-Programm RYC2020-029184-I zwischen September 2022 und November 2022 unterstützt und wird derzeit durch das vom National Institute for Nuclear Physics (INFN) finanzierte Projekt „Theoretical Astroparticle Physics (TAsP)“ unterstützt. BJK dankt der spanischen Agencia Estatal de Investigación (AEI, Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades) für die Unterstützung der Unidad de Excelencia María de Maeztu Instituto de Física de Cantabria (Ref. MDM-2017-0765). TFMS wird von VILLUM FONDEN (Fördernummer 37766), der Dänischen Forschungsstiftung und dem H2020 ERC Advanced Grant „Black Holes: Gravitational Engines of Discovery“ der Europäischen Union (Fördervereinbarung Nr. Gravitas-101052587) unterstützt.

Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam (GRAPPA), Institut für Theoretische Physik Amsterdam und Delta Institut für Theoretische Physik, Universität Amsterdam, Amsterdam, Niederlande

Philippa S. Cole, Gianfranco Bertone, Theophanes Karydas, Thomas FM Spieksma und Giovanni Maria Tomaselli

Ciela – Institut für Berechnung und astrophysikalische Datenanalyse, Montreal, Quebec, Kanada

Adam Coogan

Fachbereich Physik, Universität Montreal, Montreal, Quebec, Kanada

Adam Coogan

Mila – Quebec AI Institute, Montreal, Quebec, Kanada

Adam Coogan

INFN-Sektion von Pisa, Polo Fibonacci, Pisa, Italien

Daniel Gaggero

Institut für Korpuskularphysik, Universität Valencia und CSIC, Paterna, Spanien

Daniel Gaggero

Physikalisches Institut von Kantabrien, UC-CSIC, Santander, Spanien

Bradley J. Kavanagh

Niels Bohr International Academy, Niels Bohr Institut, Kopenhagen, Dänemark

Thomas FM Spieksma

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PSC hat die Hauptanalyse in diesem Manuskript durchgeführt und alle Zahlen erstellt. GB initiierte die Projektidee und koordinierte die Mitglieder der Gruppe. AC lieferte die dunkle Kleiderordnung für die Analyse, die für die Verwendung in diesem breiteren Kontext erweitert wurde. DG konsultierte zu Fragen im Zusammenhang mit DF und Gasdrehmomenten. TK hat das Ersatzmodell geschrieben und die Analyse für das dunkle Kleid durchgeführt, das in den Zusatzinformationen erscheint. BJK stellte Code zur Berechnung von Feedbackprozessen bereit. TFMS und GMT lieferten Code zur Berechnung der Energieverluste für das Gravitationsatom. Alle Autoren haben zum Verfassen und Bearbeiten des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Philippa S. Cole.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Astronomy dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Ergänzende Abbildungen. 1–5, Diskussion und zugehörige Referenzen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cole, PS, Bertone, G., Coogan, A. et al. Unterscheidung von Umwelteinflüssen auf die Gravitationswellenformen binärer Schwarzer Löcher. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-01990-2

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Eingegangen: 10. November 2022

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 05. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-01990-2

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