Matthias Koschnitzke, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2025 :
"Orbital Signatures of Ultralight Scalars in Binary Black Holes "
"Orbital Signatures of Ultralight Scalars in Binary Black Holes"
Summary
Wir erweitern die Untersuchung der Superradianz von Schwarzen Löchern in Binärsystemen, auch bekannt als gravitationale Atomphysik, auf exzentrische und geneigte Umlaufbahnen. Solche Sys teme zeigen Landau-Zener-ähnliche Übergänge zwischen gebundenen Zuständen der bosonischen Wolke. Wir identifizieren neue Resonanzphänomene, wie frühe und späte Resonanzen, die die Bahnexzentrizität anwachsen lassen und messbare Spuren im Gravitationswellensignal hinterlassen können.
Zur Modellierung dynamisch entstandener Binärsysteme, bei denen der Bahndrehimpuls nicht parallel zur Rotationsachse des zentralen Schwarzen Lochs ausgerichtet ist, entwickeln wir einen Formalismus auf Basis der Hamiltonschen Mechanik, der die vollständige Dynamik des Orbits über Multipolwechselwirkungen mit der bosonischen Wolke koppelt. Diese Methode überwindet Einschränkungen früherer Energie- und Impulsbilanzansätze und offenbart neuartige Dynamiken wie das Floating“ auf anti-parallen Ausrichtungen des Orbits, sowie überlappende Resonanzen. Erstmals berücksichtigen wir auch nicht-resonante Übergänge zwischen den Zuständen, die dabei wieder in das Schwarze Loch zurückfallen. Das beeinflusst die Resonanzbedingungen, unterdrückt perfektes Floating und hinterlässt dennoch signifikante Signaturen in den Bahneigenschaften.
Für skalare Teilchen mit Massen im Bereich von etwa 10-13 bis 10-11 eV hinterlassen diese Dynamiken beobachtbare Spuren in Populationen von binären Schwarzen Löchern, insbesondere bei Gravitationswellenfrequenzen, die mit zukünftigen Detektoren wie der Laser Interferometer Space Antenna LISA, sowie geplanten Mid-Band- und Deci-Hertz-Detektoren zugänglich sein werden.
Titel
Kurzfassung
We extend the study of black hole superradiance in binary systems, also known as gravitational atomic physics, to include eccentric and inclined orbits. Such systems exhibit Landau-Zener-like transitions between bound states of the bosonic cloud. We uncover new resonance phenomena, such as early and late resonances, which can grow orbital eccentricity and leave measurable imprints on gravitational-wave signals.
To model dynamically formed binaries whose orbital angular momentum is misaligned with the spin of the central black hole, we develop a framework based on Hamiltonian mechanics that couples the full orbital dynamics to the bosonic cloud via multipole interactions. This method resolves limitations of previous balance-law approaches and reveals novel dynamics such as floating on counter-rotating orbits and overlapping resonances. For the first time, we also include non-resonant mixing with states that decay back into the black hole, showing how this alters resonance conditions and suppresses perfect floating, while still leaving significant orbital signatures.
For masses of scalar particles from 10-13 to 10-11 eV, these dynamics leave observable signatures on binary black hole populations, particularly at gravitational-wave frequencies accessible to upcoming detectors such as the Laser Interferometer Space Antenna LISA, as well as future mid-band and decihertz detectors.