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黑洞准正则模不稳定性的引力波特征

Gravitational Wave Signatures of Black Hole Quasinormal Mode Instability.

作者信息

Jaramillo José Luis, Macedo Rodrigo Panosso, Sheikh Lamis Al

机构信息

Institut de Mathématiques de Bourgogne (IMB), UMR 5584, CNRS, Université de Bourgogne Franche-Comté, F-21000 Dijon, France.

School of Mathematical Sciences, Queen Mary, University of London, Mile End Road, London E1 4NS, United Kingdom.

出版信息

Phys Rev Lett. 2022 May 27;128(21):211102. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.211102.

DOI:10.1103/PhysRevLett.128.211102
PMID:35687433
Abstract

Black hole (BH) spectroscopy has emerged as a powerful approach to extracting spacetime information from gravitational wave (GW) observed signals. Yet, quasinormal mode (QNM) spectral instability under small scale perturbations has been recently shown to be a common classical general relativistic phenomenon [J. L. Jaramillo et al., Phys. Rev. X 11, 031003 (2021)PRXHAE2160-330810.1103/PhysRevX.11.031003]. This requires assessing its impact on the BH QNM spectrum, in particular on BH QNM overtone frequencies. We conclude (i) perturbed BH QNM overtones are indeed potentially observable in the GW waveform, providing information on small-scale environment BH physics, and (ii) their detection poses a challenging data analysis problem of singular interest for LISA astrophysics. We adopt a twofold approach, combining theoretical results from scattering theory with a fine-tuned data analysis on a highly accurate numerical GW ringdown signal. The former introduces a set of effective parameters (partially relying on a BH Weyl law) to characterize QNM instability physics. The latter provides a proof of principle demonstrating that the QNM spectral instability is indeed accessible in the time-domain GW waveform, though certainly requiring large signal-to-noise ratios. Particular attention is devoted to discussing the patterns of isospectrality loss under QNM instability, since the disentanglement between axial and polar GW parities may already occur within the near-future detection range.

摘要

黑洞(BH)光谱学已成为一种从引力波(GW)观测信号中提取时空信息的强大方法。然而,最近研究表明,在小尺度扰动下准正则模(QNM)谱的不稳定性是一种常见的经典广义相对论现象[J. L. 哈拉米约等人,《物理评论X》11, 031003 (2021)PRXHAE2160 - 330810.1103/PhysRevX.11.031003]。这就需要评估其对黑洞QNM谱的影响,特别是对黑洞QNM泛音频率的影响。我们得出结论:(i)受扰动的黑洞QNM泛音确实有可能在引力波波形中被观测到,从而提供有关黑洞小尺度环境物理的信息;(ii)对它们的探测构成了一个具有挑战性的数据分析问题,这对LISA天体物理学具有独特的研究意义。我们采用了一种双重方法,将散射理论的理论结果与对高精度数值引力波衰减信号的精细调整后的数据分析相结合。前者引入了一组有效参数(部分依赖于黑洞外尔定律)来描述QNM不稳定性物理。后者提供了一个原理证明,表明在时域引力波波形中确实可以获取QNM谱的不稳定性,不过当然这需要大信噪比。我们特别关注讨论QNM不稳定性下等谱性损失的模式,因为轴向和极向引力波宇称之间的解缠可能在不久的探测范围内就已经发生。

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