Stueckelberg Bosons as an Ultralight Dark Matter Candidate
在这封信中，我们提出了一个新的模糊暗物质模型的基础上Stueckelberg理论。将暗物质看作是Stueckelberg粒子的玻色-爱因斯坦凝聚体，并分析了由此产生的宇宙学效应.适合理解这样的颗粒的密度和晕的大小，并与现有的模型进行比较。某些有吸引力的特性的模型进行了演示，并为今后的工作奠定了基础。
2019-07-24 gr-qc hep-ph hep-th
Evolution of black hole shadow in the presence of ultralight bosons
克尔黑洞与量子化玻色子场的耦合显示出一种特殊的霍金效应，受超辐射条件的支配。这导致玻色子云通过自发产生而快速增长，从而导致黑洞的减速，并且可以检测到黑洞阴影的增长。这可以发展成为一种搜索或限制超轻玻色子存在的技术。我们研究了自旋为0的玻色子在黑洞阴影中的这一现象，详细分析了Sgr $A^*$，并对演化时间尺度和随后的黑洞阴影特征变化进行了估计.我们的研究表明，有一个小窗口的参数，其中超大质量黑洞的阴影的增加可能是可见的，但只有当测量的灵敏度从目前的25 $μ$增加到约0.1 $μ$作为。
2020-02-26 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Phenomenology of ultralight bosons around compact objects: in-medium suppression
本文研究等离子体介质对超轻玻色子与光子转换的抑制效应，发现高密度等离子体可显著降低甚至完全抑制转换率，并探讨其对黑洞超辐射和观测信号的影响。
2024-09-30 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Ultralight boson constraints from gravitational wave observations of spinning binary black holes
The Australian National University（澳大利亚国立大学）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（理论物理前沿研究所）；Princeton University（普林斯顿大学）
通过引力波观测二进制黑洞自旋测量，约束超轻标量和矢量玻色子的质量范围，排除部分参数并映射到轴子和暗光子模型。
2026-01-06 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Common Envelope Evolution of Ultralight Boson Clouds
International Centre for Theoretical Physics Asia-Pacific, University of Chinese Academy of Sciences（国际理论物理中心亚太分中心，中国科学院大学）；Department of Astronomy, Tsinghua University（清华大学天文系）；Taiji Laboratory for Gravitational Wave Universe (Beijing/Hangzhou), University of Chinese Academy of Sciences（太极引力波宇宙实验室（北京/杭州），中国科学院大学）
研究超轻玻色子云在双黑洞系统中的共同包层演化，揭示其对轨道偏心率增长的影响
2026-02-04 astro-ph.HE gr-qc
Bounds on ultralight bosons from the Event Horizon Telescope observation of Sgr A$^*$
该研究利用 EHT 测得 Sgr A$^*$ 非零自旋的结果，通过黑洞超辐射约束纯引力超轻玻色子质量，并限制自相互作用轴子衰变常数的新参数区域。
2024-09-08 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Exploring the viability of pseudo Nambu-Goldstone boson as ultralight dark matter in a mass range relevant for strong gravity applications
本研究提出一种标准模型扩展，以超轻伪南布-戈德斯通玻色子为暗物质候选，探讨其在暴胀前后产生及拓扑缺陷衰变产生的引力波信号，为强引力应用提供可检验模型。
2023-05-19 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Probing Ultralight Bosons with Binary Black Holes
本文研究了双螺旋中黑洞周围超轻玻色子云的引力波特征。这些云，这是通过快速旋转BH的超辐射不稳定性形成的，在BH质量和自旋的人口，和连续的单色GW信号产生不同的效果。我们发现，一个二进制同伴的存在大大丰富了系统的动力学演化，最显着的是通过存在的共振跃迁之间的增长和衰减模式的云（类似于拉比振荡在原子物理学）。这些共振对当前和未来的GW探测器具有丰富的现象学意义。值得注意的是，来自云的GW信号的幅度可能会降低，并且在许多情况下，在二元合并之前很久就终止了。玻色子云的存在也可以通过有限尺寸效应的印记，如自旋诱导多极矩和潮汐勒夫数，在双星的GW信号中揭示出来。在共振期间云的能量密度的时间依赖性导致有限尺寸项对波形的贡献中的尖锐特征或至少衰减。对这些效应的观测将通过精确的GW数据来限制假定的超轻玻色子的性质，从而提供超越标准模型的新的物理探测。
2018-08-10 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Searching for ultralight bosons with supermassive black hole ringdown
超轻玻色子是暗物质的一种竞争性候选者。如果它们存在，这些玻色子可能会通过超辐射不稳定性形成围绕旋转黑洞的长寿命玻色子云，作为引力源并影响宿主黑洞周围的引力波传播。在极端质量比的吸气过程中，玻色云将在吸气阶段幸存下来，并能影响受扰黑洞玻色云系统的准正规模频率。在这项工作中，我们计算了旋转黑洞由于周围玻色子云的存在而引起的引力准正规模频率的变化。然后，我们进行模拟分析模拟激光干涉空间天线观测数据包含注入振铃信号的超大质量黑洞与玻色子云。我们发现，利用不到一个小时的附近超大质量黑洞（如人马座A* 和M32）振铃阶段的观测数据，我们可以排除或确认质量为$ \sim 10^{-17} \rm eV$的云状超轻玻色子的存在。
2021-10-07 astro-ph.HE gr-qc
Constraints on ultralight scalar bosons within black hole spin measurements from LIGO-Virgo's GWTC-2
如果黑洞的半径与玻色子的波长相当，那么在快速旋转的黑洞周围就可以形成超轻玻色子云--比如轴子。星云迅速从黑洞中提取角动量，并将其减少到一个特征值，该值取决于玻色子的质量以及黑洞的质量和自旋。因此，对黑洞质量和自旋的测量可以用来揭示或排除这种玻色子的存在。利用LIGO和Virgo在GWTC-2中释放的黑洞，我们同时测量了黑洞形成时的自旋分布和标量玻色子的质量。我们发现，数据强烈反对的存在的标量玻色子之间的$1.3\times10^{-13}~\mathrm{eV}$和$2.7\times10^{-13}~\mathrm{eV}$的衰变常数$f_a\gtrsim 10^{14}~\mathrm{GeV}$的质量范围。统计证据主要是由两个{二元黑洞}系统GW 190412和GW 190517驱动的，它们拥有快速旋转的黑洞。如果这两个系统在黑洞形成后不久（$\sim 10^5$年）合并，那么排除玻色子的区域就会缩小。
2021-04-17 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Probing ultralight dark matter with future ground-based gravitational-wave detectors
超轻玻色子可能是自然界的基本组成部分，也是有希望的暗物质候选者。它们可以触发旋转黑洞（BH）的超辐射不稳定性，并形成长寿的“玻色子云”，通过发射引力波（GW）缓慢耗散能量。以前的研究通过在LIGO数据中搜索这些源发射的随机引力波背景（SGWB）来约束超轻玻色子，重点是最不稳定的偶极和四极模式。在这里，我们专注于标量玻色子和扩展以前的工作：（一）详细研究更高的模式在SGWB的影响;（二）探索未来提出的地基GW探测器，如中子星极端物质天文台，爱因斯坦望远镜和宇宙探测器，检测这个SGWB的潜力。我们发现，更高的模式在很大程度上占主导地位的SGWB玻色子与质量$\gtrsim 10^{-12}$ eV，这是特别相关的未来GW探测器。通过估计这个SGWB的信噪比，由于恒星起源的BH和从一个假设的人口的原始BH，我们发现，未来的地面GW探测器可以观察或约束玻色子的质量范围$\sim [7\times 10^{-14}, 2\times 10^{-11}]$ eV和显着改善LIGO和处女座观测所施加的当前和未来的约束。
2021-12-09 astro-ph.HE gr-qc hep-th
Methods and prospects for gravitational wave searches targeting ultralight vector boson clouds around known black holes
本文提出基于隐马尔可夫模型的长持续时间信号跟踪方法，用于探测旋转黑洞周围超轻矢量玻色子云产生的引力波，并证明当前探测器可探测质量≥60太阳质量、自旋≥0.6的黑洞矢量云，光度距离达1 Gpc。
2023-08-11 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Methodology for constraining ultralight vector bosons with gravitational wave searches targeting merger remnant black holes
本文提出一种统计稳健框架，在并合遗迹黑洞引力波搜寻未发现超轻矢量玻色子信号时约束其存在，并评估动力学混合与隐希格斯机制对约束能力的影响，表明下一代探测器可探测尚缺约束的参数空间。
2025-03-10 gr-qc hep-ph
Multiband gravitational-wave searches for ultralight bosons
引力波可能是由超轻玻色子产生的少数直接观测值之一，超轻玻色子是受约束的暗物质候选者，可能是粒子理论、高能物理学和宇宙学中几个问题的关键。这些类轴子粒子可以自发地在天体物理学黑洞周围形成“云”，导致连续引力波的强发射，可以被地面和太空中的仪器检测到。尽管已经对这种情况进行了彻底的研究，但尚未认识到这两种类型的检测器可以串联使用（称为“多带”的实践）。在本文中，我们表明，未来的引力波探测器在地面和空间将能够一起工作，以检测质量为$25 \lesssim μ/\left(10^{-15}\, \mathrm{eV}\right)\lesssim 500$的超轻玻色子。在探测双星黑洞吸入时，LISA空间任务将提供关键信息，使未来的地面探测器，如宇宙探测器或爱因斯坦望远镜，能够搜索观测到的双星中单个黑洞周围玻色子云的信号。我们制定了检测策略，并专注于标量玻色子，图表合适的参数空间。我们研究了对系统历史的无知的影响，包括云的年龄和黑洞旋转。我们还考虑了潮汐共振，可能会破坏玻色子云之前，其引力信号变得可检测的地面后续行动。最后，我们将展示如何考虑所有这些因素，以及LISA测量中的不确定性，以获得玻色子质量的限制，从地面观测LISA促进。
2020-10-27 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Gravitational wave signatures of ultralight vector bosons from black hole superradiance
在超轻玻色子场的存在下，旋转的黑洞对超辐射是不稳定的。黑洞的旋转能量被转换成非轴对称的、振荡的玻色子云，它通过发射几乎单色的引力辐射而消散。因此，地面或空间探测器的引力波观测可以用来探测与标准模型弱耦合的暗粒子的存在。在这项工作中，我们专注于大量的矢量玻色子，通过超辐射增长得更快，并产生显着更强的引力波相比，标量的情况下。我们使用黑洞微扰理论的技术来计算不同玻色子质量和黑洞质量和自旋的参数空间的相对论正确的引力波信号。这填补了文献中平空间近似和时域计算之间的空白，平空间近似在非相对论极限下低估了引力波振幅，在相对论范围内高估了它，时域计算只覆盖了参数空间的有限部分。我们还确定泛音超辐射不稳定模式将增长速度比较低频率的基本模式的参数范围。这种情况下将产生一个独特的引力波信号，由于拍的同时填充模式，我们计算。
2020-01-07 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Constraints on the ultralight scalar boson from Advanced LIGO and Advanced Virgo's first three observing runs using the stochastic gravitational-wave background
超轻玻色子是有希望的暗物质候选者，可以触发旋转黑洞（BH）的超辐射不稳定性，导致BH周围长时间旋转的“玻色子云”，并通过单色引力波（GW）的发射耗散它们的能量。我们专注于标量玻色子最低限度地耦合到孤立的恒星起源BH（SBH）和他们的二元合并残留物，并进行贝叶斯数据分析，以搜索随机GW背景的所有不稳定模式，可以触发超辐射不稳定性使用先进LIGO和先进处女座的前三次观测运行的数据。我们没有发现这样的信号的证据，因此排除了标量玻色子的质量范围内的$[1.5, 16]\times10^{-13}$ eV，$[1.9, 8.3]\times10^{-13}$ eV和$[1.3, 17]\times10^{-13}$ eV在$95\%$置信水平的孤立SBH具有均匀的无量纲自旋分布在$[0,1]$，$[0,0.5]$和$[0.5,1]$，分别。
2022-07-12 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
On the Interaction between Ultralight Bosons and Quantum-Corrected Black Holes
本文通过求解Teukolsky方程，研究超轻标量暗物质场在具有反射边界条件的奇异致密天体周围的超辐射不稳定性，发现反射系数在$M\mu\gtrsim 0.5$时显著影响引力波能量通量，表明其在近地平线物理中的重要性。
2023-01-17 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Tidal deformability of dressed black holes and tests of ultralight bosons in extended mass ranges
紧致天体在潮汐扰动下的变形性被编码在潮汐勒夫数（TLN）中，对于真空中的孤立黑洞，TLN消失。我们证明了被物质场包围的黑洞的TLN并不消失，可以用来探测双黑洞周围的环境。特别是，我们计算TLN的情况下，黑洞周围的标量凝聚体的存在下的标量和矢量潮汐扰动，发现一个强大的幂律行为的TLN的质量的标量场。使用这一结果作为引力潮汐扰动的代理，我们表明，未来的引力波探测器，如爱因斯坦望远镜和LISA可以对超轻玻色子的质量施加严格的约束，这些玻色子由于吸积或超辐射而在黑洞周围凝结。有趣的是，LISA可以测量从恒星质量（$\approx 10^2 M_\odot$）到超大质量（$\approx 10^7 M_\odot$）物体范围内的修饰黑洞的潮汐变形能力，提供$(10^{-17} - 10^{-13}) \, {\rm eV}$范围内超轻玻色子质量的测量，精度低于$10\%$，从而填补了来自地面和空间干涉仪的其他超辐射驱动约束之间的空白。总而言之，LISA和爱因斯坦望远镜可以探测组合质量范围为$(10^{-17} - 10^{-11}) \, {\rm eV}$的装扮黑洞的潮汐效应。
2021-08-17 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Signatures of ultralight bosons in the orbital eccentricity of binary black holes
本研究发现双黑洞周围的超轻玻色子云会在轨道偏心率上留下可观测特征，特定质量区间的新粒子可通过未来引力波探测器的偏心率测量验证，为超轻玻色子探测提供了新途径。
2024-09-17 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Constraints on ultralight axions, vector gauge bosons, and unparticles from geodetic and frame-dragging measurements
大地测量和坐标系拖曳效应是地球附近时空曲率的直接结果，可以从重力探测器B（GP-B）卫星进行探测。卫星的结果与爱因斯坦的广义相对论结果相当吻合。测量地球附近时空曲率的卫星陀螺仪含有大量的电子和核子。超轻轴子、矢量规范玻色子和非粒子可以通过不同的自旋相关和自旋无关算符与这些电子和核子相互作用，并改变陀螺仪的漂移率。这些超轻粒子中的一些可以表现为一些黑暗扇区或地球与陀螺仪之间的长距离力，或者它们可以表现为背景振荡的暗物质场，或者两者兼而有之。这些超轻粒子可以为陀螺仪提供额外的进动，限制在不大于GP-B测量的不确定性。通过与实验结果的比较，得到了不同算子耦合的上界。
2022-11-06 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Sensitivity of Space-based Gravitational-Wave Interferometers to Ultralight Bosonic Fields and Dark Matter
本研究针对超轻玻色场这一暗物质候选体，利用时延干涉测量技术分析LISA、Taiji、TianQin等规划中天基引力波干涉仪的探测灵敏度，推导传递函数并给出其对超轻玻色场与标准模型粒子耦合的约束能力。
2023-07-25 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Narrowing the allowed mass range of ultralight bosons with the S2 star
众所周知，超轻玻色子的N体模拟表明，在晕的最里面形成了一个孤立的暗物质核心。这种孤子的尺度长度取决于玻色子质量的倒数。另一方面，银河系中心恒星的轨道运动取决于物质的分布，无论是重子还是暗物质，这为该区域的引力场提供了一个很好的探测器。在这封信中，我们建议银河系中心的S星作为一种新的观测工具，与其他天体物理系统互补，以缩小超轻暗物质候选玻色子质量的允许值范围。我们建立了模拟目录，反映了即将到来的S2的天体测量和光谱观测，我们使用MCMC分析来预测超轻玻色子质量可能被限制的准确性，我们表明，一旦考虑互补约束，这种分析将有助于限制玻色子质量的允许范围。我们的分析预测，在95%的置信水平下，超轻玻色子的质量为$< 10^{-19}$ eV。
2023-01-16 astro-ph.GA gr-qc
Ultralight bosonic dark matter in white dwarfs and potential observational consequences
流体和超轻玻色子暗物质可以通过引力相互作用形成稳定的费米子-玻色子星，它们是爱因斯坦-欧拉-（复杂的、有质量的）克莱因-戈登系统的静态正则混合解。在这项工作中，我们研究了通过引力冷却的球形混合白矮星-玻色子星的动力学形成，其性质取决于玻色子粒子的质量和玻色子星的质量。由于玻色子暗物质的吸积，白矮星迁移到一个密度更大、结构更紧凑的玻色子恒星核心，从而改变了它的引力红移，并改变了光球层发出的电磁辐射。我们讨论了引力红移的变化的影响，原则上可以产生任何类型的暗物质，这可能会导致小的差异估计质量和半径来自白矮星的观测。
2022-02-01 astro-ph.SR gr-qc
Mass distribution of ultralight boson in binary black hole systems
Huazhong University of Science and Technology（华中科技大学）
研究双黑洞系统中超轻玻色子的质量转移及其对云吸收的影响，揭示质量比和自转轴对齐程度对云耗尽效率的作用。
2025-12-29 gr-qc
The response of ultralight dark matter to supermassive black holes and binaries
标量场可以产生受限结构，如玻色子星或Q球。这些天体是有趣的假想的新“暗物质星”，但也很好地描述了超轻场时的暗物质晕。在这里，我们研究的动力学响应时，在其附近的外部物质（恒星，行星或黑洞）激发的这种限制玻色子结构。这样的微扰既可以是穿过玻色子组态的，也可以只是作为周期源。我们的设置也可以有效地描述一个大质量的黑洞和周围环境之间的相互作用，不久后，大质量的身体已经经历了“踢”，由于重子物质在银河系中心的崩溃。它还描绘了暗物质耗尽作为一个反应的光环内的螺旋双星。我们计算总能量损失，以及在这些过程中辐射的线动量和角动量，并进行第一次自洽计算的动态摩擦作用在这些背景下的移动物体。我们证明了牛顿玻色子星（NBS）中心的引力坍缩为超大质量黑洞伴随着周围核心的微小变化。NBS最终会被吸积，但只有在比哈勃尺度的天体物理参数大的时候。恒星或超大质量双星能够“搅动”并从NBS中排出标量。对于在LIGO或LISA波段的二进制，接近合并，标量发射影响波形在领先的$-6$ PN阶相对于占主导地位的四极项;系数太小，允许检测下一代干涉仪。我们的研究结果提供了黑洞或恒星与它们所处的超轻暗物质环境之间相互作用的完整图景。
2020-08-31 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Probing ultralight bosons with LISA observations of spinning black hole mergers and follow-up searches of merger remnants
Perimeter Institute for Theoretical Physics（Perimeter理论物理研究所）；University of Waterloo（滑铁卢大学）；Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute)（马克斯·普朗克引力物理学研究所（爱因斯坦研究所））
本研究基于LISA观测大质量黑洞双体并合及后续遗迹搜索，通过黑洞自旋测量和引力波搜索，预测了标量与矢量超轻玻色子的质量限制及探测概率，为超轻玻色子的探测提供了前景。
2026-08-11 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Directed searches for gravitational waves from ultralight bosons
引力波探测器可以搜寻尚未发现的超轻玻色子，包括那些被用来解决粒子物理学、高能理论和宇宙学问题的玻色子。地面仪器可以探测$10^{-15}$ eV到$10^{-11}$ eV之间的玻色子质量，这在很大程度上是其他实验无法达到的。本文探讨了寻找已知黑洞周围玻色子云产生的连续引力波的前景。我们仔细研究了预测的波形，并使用最新的数值结果来模拟不同黑洞和玻色子参数的信号。然后，我们证明了一个特定的方法（隐马尔可夫模型跟踪），有效地搜索这样的信号，即使当源参数不完全知道，并允许在理论预测的一些不确定性的适用性。我们实证研究这种方法的灵敏度和计算成本的背景下，玻色子信号，发现这将是可能的目标残留物从紧凑的二进制合并本地化至少有三个工具。对于来自标量云的信号，我们还计算了未来探测器（高级LIGO，LIGO旅行者，宇宙探测器和爱因斯坦望远镜）的探测范围。在其他结果中，我们发现，经过一年的观察，先进的LIGO探测器在设计灵敏度可以检测到这些源高达100 Mpc以上，而宇宙探测器可以达到超过$10^4$ Mpc。这些预测提供了一个更完整的图片比以前的估计的基础上分析近似的信号功率或理想化的搜索策略。最后，我们讨论了具体的影响，后续的紧凑的二元合并和黑洞的x射线双星。在此过程中，我们回顾了黑洞周围玻色子的基本物理，希望在理论和数据分析文献之间提供一个桥梁。
2019-05-06 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Search for ultralight bosons in Cygnus X-1 with Advanced LIGO
超轻标量，如果它们像理论上那样存在，可以在快速旋转的黑洞周围形成云。这样的云预计会发射出连续的、准单色的引力波，可以被LIGO和Virgo探测到。在这里，我们提出了一个直接搜索的结果，从天鹅座X-1二进制的信号，从先进的LIGO的第二次观测运行的数据。在250-750赫兹波段，我们没有发现引力波存在的证据。在没有结合天鹅座X-1黑洞自旋的现有测量的情况下，我们的结果不利于$6.4 \leq μ/(10^{-13} {\rm eV}) \leq 8.0$中的玻色子质量，假设黑洞在$5 \times 10^6$年前以接近极值的自旋诞生。然后，我们专注于弦轴向的情况下，自相互作用使云高黑洞自旋与天鹅座X-1的测量一致。在该模型中，我们将玻色子质量限制在$9.6 \leq μ/(10^{-13} {\rm eV}) \leq 15.5$中，衰变常数为$f_a\sim 10^{15}$ GeV。未来我们的方法应用到其他来源将产生改进的约束。
2020-10-27 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Modeling and searching for a stochastic gravitational-wave background from ultralight vector bosons
超轻玻色子，在各种超越标准模型的场景中被预测为暗物质候选者，可以触发旋转黑洞周围的超辐射不稳定性。这种不稳定性产生了振荡的玻色子凝聚，然后通过发射近单色的引力波而消散。这样的系统是目前和未来的引力波探测器有希望的来源。在这项工作中，我们考虑最小耦合，大量的矢量玻色子，它可以产生一个显着更强的引力波信号相比，标量的情况下。我们采用最近获得的引力波通量的数值结果，和黑洞种群的天体物理模型，包括孤立的黑洞和二进制合并残留物，计算和研究这些源发射的随机引力波背景的细节。使用贝叶斯框架，我们搜索这样的背景信号发射的数据从第一和第二次观测运行的高级LIGO。我们没有发现这种信号的证据。因此，结果使我们能够约束最小耦合矢量场的质量范围$0.8\times10^{-13}\mathrm{eV}\leq m_b\leq 6.0\times10^{-13}\mathrm{eV}$在95%的可信度，乐观地假设，无量纲自旋分布的孤立黑洞人口是均匀的范围$[0,1]$。在更悲观的假设下，只要无量纲黑洞自旋的均匀分布的上端是$\gtrsim 0.2$，就仍然可以排除$m_b\approx 10^{-13}\mathrm{eV}$附近的较窄范围。
2021-05-27 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
The imprint of superradiance on hierarchical black hole mergers
超轻玻色子是宇宙学和粒子物理学中悬而未决的问题的解决方案：它们提供了暗物质候选者，同时可能解释强电荷宇称问题。如果它们存在，超轻玻色子可以通过超辐射不稳定性与黑洞相互作用。在这项工作中，我们探讨了这种不稳定性的后果，在致密的星团的层次黑洞的演化。通过降低单个黑洞的自旋，超辐射降低了合并的双黑洞的反冲速度，这反过来又增加了分层合并残余物的保留分数。我们表明，质量为$ 2\times10^{-14}\lesssim μ/\textrm{eV} \lesssim2\times10^{-13}$的超轻玻色子的存在将导致核星团中的分层黑洞合并率增加。在这个能量范围内的超轻玻色子将导致多达$\approx60\%$的现今核星团支持等级增长。超轻玻色子的存在还可以使中等质量黑洞与本宇宙中的$\approx0.08$\、Gpc $^{-3}$\、yr $^{-1}$的合并速率加倍。这些结果意味着，超轻玻色子质量的选择范围可以对致密恒星环境中的黑洞种群产生深远的影响。未来对黑洞群的研究和分层形成的黑洞的自旋分布将测试这种情况。
2021-07-25 astro-ph.HE gr-qc
Ultralight scalars and invisible gravitons
CERN（欧洲核子研究组织）；INFN, section of Milan-Bicocca（意大利国家核物理研究所米兰-比可卡分部）
该研究探讨超轻玻色子相关非绝热模式与后暴胀膨胀率的关系，指出超轻玻色子的存在排除膨胀快于辐射的长阶段，轻核合成及高频 relic 引力子谱为超轻标量质量范围等提供约束。
2026-10-14 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Detecting ultralight dark matter in the Galactic Center with pulsars around Sgr A*
本研究利用脉冲星计时探测银心Sgr A*周围超轻暗物质结构（玻色子云和孤子核）的引力效应，首次提出综合框架，可探测低至太阳质量的玻色子云及广泛孤子核质量，为未来SKA观测提供关键目标。
2025-10-26 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
EHT constraint on the ultralight scalar hair of the M87 supermassive black hole
假设超轻玻色子场会自发地在克尔黑洞周围形成宏观玻色子晕，通过超辐射，将黑洞的部分质量和角动量转移到晕中。然而，这种过程只有在共振的情况下才是有效的：当场的康普顿波长近似匹配黑洞的引力尺度时。对于一个复值场，这个过程可以形成一个稳定的玻色子场-黑洞平衡态-一个具有同步毛发的黑洞。对于质量足够大的黑洞，比如位于M87超巨型椭圆星系中心的黑洞，毛茸茸的黑洞可以在哈勃时间内抵抗其自身的超辐射不稳定性。研究这种标量毛状黑洞的阴影，我们限制头发的数量，这是兼容的事件视界望远镜（EHT）的M87超大质量黑洞的观测，假设头发是质量为$μ\sim 10^{-20}$ eV的超轻标量粒子的凝聚物，作为动态可行的。我们发现EHT观测设置了一个弱约束，在这个意义上说，典型的毛茸茸的黑洞，可以动态地发展他们的头发，是兼容的意见，考虑到EHT误差线和黑洞质量/距离的不确定性。
2020-01-07 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Signatures of Ultralight Bosons in Compact Binary Inspiral and Outspiral
本研究考虑动力学摩擦与云质量消耗，分析了包含处于自旋0、1、2超辐射态的引力原子双星系统轨道动力学，发现质量消耗主导旋远阶段，并探讨了黑洞-脉冲星双星中云的探测条件。
2024-01-03 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Searching for ultralight bosons within spin measurements of a population of binary black hole mergers
如果超轻玻色子的康普顿波长与黑洞的大小相当，它们就可以在旋转的黑洞周围形成云。玻色子云通过一个被称为超辐射的过程使黑洞向下旋转，将黑洞的旋转降低到一个特征值。有人建议，由地面引力波探测器探测到的黑洞的自旋测量可以用来限制超轻玻色子的质量。不幸的是，对单个黑洞自旋的测量往往是不确定的，导致不确定的结果。相反，我们使用分层贝叶斯推断来结合来自多个引力波源的信息，并获得更强的约束。我们发现，数百个高信噪比的引力波探测足以排除（确认）在质量范围$\left[10^{-13},3\times 10^{-12}\right]~\rm{eV}$ $\left([10^{-13},10^{-12}]~\rm{eV}\right)$的非相互作用玻色子的存在。精确的数字取决于形成时黑洞自旋的分布和玻色子的质量。从LIGO和Virgo在前两次观测中检测到的二元黑洞合并的少数无信息自旋测量中，我们不能得出统计上有意义的结论。
2021-03-10 astro-ph.CO gr-qc
Impact of ultralight bosonic dark matter on the dynamical bar-mode instability of rotating neutron stars
我们研究了超轻玻色子场暗物质对不稳定的、有棒模不稳定性倾向的差速旋转中子星动力学的影响。为此，我们在广义相对论中进行数值模拟的旋转中子星吸积初始球对称玻色子场云，解决爱因斯坦-（复杂的，大量的）克莱因-戈登-欧拉和爱因斯坦-（复杂的）Proca-Euler系统。我们发现，玻色子场的存在下，可以严重修改的中子星的条模不稳定性的发展，取决于玻色子场的总质量和玻色子粒子的质量。在某些情况下，吸积玻色子场甚至可以通过动态形成保留原始中子星部分角动量的混合（费米子-玻色子）星来抑制棒变形的主导$\ell=m=2$模式。然而，混合星经历了混合棒的发展，导致了显着的引力波发射，与孤立的中子星有很大的不同。我们的研究结果表明，中子星中的暗物质吸积可能会改变预期的棒模不稳定性发射的频率，这将对正在进行的连续引力波的搜索产生重要影响。
2022-07-18 gr-qc
Probing the existence of ultralight bosons with a single gravitational-wave measurement
光玻色子被认为是基础物理学和宇宙学中各种问题的可能解决方案，包括一大类超越标准模型物理学的候选者，如光子和模量，波暗物质和类轴子粒子。如果自然界中存在轻玻色子，它们将通过超辐射从旋转的大质量黑洞中提取旋转能量，从而自发形成“云”，超辐射是一种经典的波放大过程，人们已经研究了几十年。云的超辐射增长决定了最终黑洞的几何形状，而黑洞的几何形状决定了云的形状。因此，黑洞的几何形状和云都编码了关于轻玻色子的信息。由于这个原因，对黑洞/云系统的引力场的测量（编码在引力波中）是超定的。我们表明，一个单一的引力波测量可以用来验证存在的轻玻色子的模型选择，排除其他解释的信号，并测量玻色子的质量。这样的测量可以做一般的玻色子在质量范围$[10^{-16.5},10^{-14}]$ eV的极端质量比吸气使用LISA观测。
2020-05-13 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
Gravitational laser: the stimulated radiation of gravitational waves from the clouds of ultralight bosons
本研究揭示由克尔黑洞与超辐射玻色子云构成的引力原子中可产生引力波受激辐射，共振跃迁会放大引力波并形成强定向的新型引力波信号，为引力波探测提供新方向。
2024-01-29 astro-ph.CO gr-qc
No-scale Brans-Dicke Gravity -- ultralight scalar boson & heavy inflaton
The University of Tokyo（东京大学）；Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo（东京大学 Kavli宇宙起源研究中心）；KEK（高能加速器研究机构）；Graduate University for Advanced Studies (Sokendai)（综合研究大学院大学）；Tsung-Dao Lee Institute & School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院 紫江研究院）
该研究提出无尺度布兰-迪克引力理论，通过引入R²项和非最小耦合，实现重暴涨子场，解释暗辐射并支持轻子生成。
2026-02-09 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Ultralight Bosons Explain the Mass-Spin Correlations in the Merging Binary Black Hole Population
School of Physics and Astronomy, University of Minnesota（明尼苏达大学物理与天文学院）；School of Physics, Anhui University（安徽大学物理学院）
本研究提出基于超辐射的自旋分布模型，结合GWTCs引力波数据，发现质量约10^-12 eV的标量玻色子可解释双黑洞质量-自旋关联，贝叶斯因子达ln B≈7.8，为超轻玻色子存在提供支持。
2026-09-03 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Ultralight Bosonic Field Mass Bounds from Astrophysical Black Hole Spin
黑洞的测量在引力波天文学的新时代有了显着的增长，从LIGO观测到的双黑洞合并。迄今为止尚未观测到的大质量超轻玻色子场代表了标准模型扩展中最令人兴奋的特征之一，能够为粒子物理学和宇宙学中的众多范式问题提供解决方案。在这项工作中，我们探讨了从旋转的天体物理黑洞和他们的角动量能量转移到玻色子凝聚，可以通过超辐射不稳定性周围的黑洞形成的边界。使用最近的分析结果，我们进行了一个简化的分析与慷慨的合奏黑洞参数测量，我们发现超辐射非常普遍排除玻色子领域的质量范围内;自旋0：${\scriptsize \{ 3.8\times10^{-14}\ {\rm eV} \leq μ_0 \leq 3.4\times10^{-11}\ {\rm eV}, 5.5\times10^{-20}\ {\rm eV} \leq μ_0 \leq 1.3\times10^{-16}\ {\rm eV}, 2.5\times10^{-21}\ {\rm eV} \leq μ_0 \leq 1.2\times10^{-20}\ {\rm eV}\}}$，自旋1：${\scriptsize \{ 6.2\times10^{-15}\ {\rm eV} \leq μ_1 \leq 3.9\times10^{-11}\ {\rm eV}, 2.8\times10^{-22}\ {\rm eV} \leq μ_1 \leq 1…
2020-09-15 gr-qc hep-ph hep-th
Ultralight Boson Ionization from Comparable-Mass Binaries
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；CENTRA, Departamento de Física, Instituto Superior Técnico – IST, Universidade de Lisboa – UL（里斯本大学高级技术学院物理系CENTRA中心）；Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学李政道研究所）；Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma & INFN, Sezione di Roma（罗马第一大学物理系及罗马INFN分部）；Walter Burke Institute for Theoretical Physics, California Institute of Technology（加州理工学院沃尔特·伯克理论物理研究所）
该研究结合数值模拟与半解析框架，表征等质量双星形成的引力分子结构与电离，发现偏心率诱导的共同运动组分电离可高效圆化双星，且该分子阶段会显著改变超大质量黑洞双星的随机引力波背景。
2026-08-18 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Black hole superradiant instability from ultralight spin-2 fields
超轻玻色子场是引人注目的暗物质候选者，并出现在各种超越标准模型的场景中。这些场可以通过超辐射不稳定性从旋转的黑洞中获取能量和角动量，在此期间，宏观玻色子凝聚体在黑洞周围发展。这一现象的显著特征包括天体物理学上黑洞的自旋质量分布中的空隙和凝聚体发射的连续引力波GW信号。到目前为止，这些过程已经在标量场中得到了详细的研究，最近又在矢量场中得到了研究。在这里，我们在黑洞超辐射计划中迈出了重要的一步，通过计算，分析，不稳定的时间尺度，直接GW发射和随机背景，在大质量张量的情况下（即，自旋- $2$）字段。我们的分析是有效的任何黑洞自旋和小玻色子质量。大质量自旋$2$场的不稳定性与标量场和矢量场的不稳定性有一些共同的性质，但其现象学要丰富得多，例如存在具有可比不稳定性时间尺度的多个模式，并且主导GW信号是十六极而不是四极。对质量范围为$M\in(1,10^{10})M_\odot$的自旋黑洞的电磁观测和GW观测可以将假定的自旋- $2$场的质量约束在$10^{-22} \lesssim m_b\,{\rm c^2/eV} \lesssim 10^{-10}$范围内。对于$10^{-17}\lesssim m_b\,{\rm c^2/eV}\lesssim 10^{-15}$，空间任务LISA可以检测到红移为$z=20$甚至更大的源的连续GW信号。
2020-06-03 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Probing Ultralight Tensor Dark Matter with the Stochastic Gravitational-Wave Background from Advanced LIGO and Virgo's First Three Observing Runs
本文利用LIGO/Virgo前三次运行数据搜索超轻张量场产生的随机引力波背景，未发现信号，并在95%置信水平排除了质量在4.0×10^-14至2.0×10^-12 eV的张量玻色子。
2023-12-27 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Radial oscillations of boson stars made of ultralight repulsive dark matter
我们计算了玻色子星的最低频率径向振动模。假设该物体是由伪戈德斯通玻色子组成的，该玻色子受到标量势，导致排斥的自相互作用力，并且其特征在于两个未知的质量尺度$m$（粒子的质量）和$F$（衰变常数）。首先，我们集成的Tolman-Oppenheimer-Escheroff方程的流体静力平衡的恒星，然后我们解决的Sturm-Liouville边值问题的摄动使用射击方法。同时给出了进入类薛定谔方程的有效势以及几个相关的本征函数。此外，我们发现，大的频率分离，即连续模式之间的差异，是成比例的平方根的质量的恒星和立方的质量尺度定义的$Λ\equiv \sqrt{m F}$。
2019-04-22 gr-qc
Getting More Out of Black Hole Superradiance: a Statistically Rigorous Approach to Ultralight Boson Constraints from Black Hole Spin Measurements
Dipartimento di Fisica e Astronomia “Galileo Galilei,” Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学伽利略·伽利莱物理与天文学系）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；Theoretical Particle Physics and Cosmology, King’s College London（伦敦国王学院理论粒子物理与宇宙学）；Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian（哈佛-史密森尼天体物理中心）；Institute of Astronomy, University of Cambridge（剑桥大学天文学研究所）；Department of Astronomy, University of Maryland（马里兰大学天文学系）；Department of Physics, Astrophysics, University of Oxford（牛津大学物理与天体物理系）
本文提出一种统计严谨的方法，利用黑洞自转测量约束超轻玻色子的质量和相互作用，改进现有ULB约束并影响QCD轴子研究。
2025-10-09 astro-ph.HE gr-qc hep-ph
Nonlinear cosmological structure with ultralight bosons via modified gravity
超轻玻色子作为暗物质，由于在线性和非线性尺度上都可能在宇宙结构中留下独特的印记，已经成为宇宙学中的一个主要兴趣模型。在这项工作中，我们表明，这类模型的密度扰动的运动方程可以写在一个修改的引力势。利用这种并行性，我们使用的MG-PICOLA代码最初开发的修改后的重力模型发展的密度场的轴子模型和没有自相互作用。我们的结果表明，量子势在非线性水平上增加了额外的功率抑制，它甚至能够平滑最初存在于质量功率谱中的任何颠簸特征。
2021-04-26 astro-ph.CO gr-qc
Ultralight boson cloud depletion in binary systems
超轻标量可以通过超辐射不稳定性从天体物理学的黑洞中提取旋转能量，形成宏观玻色子云。当玻色子的康普顿波长与黑洞视界的大小相当时，即当“引力精细结构常数”$α\equiv G μM/\hbar c\sim 1$。如果黑洞/云系统是一个双星系统，来自伴星的潮汐扰动可以在云的能级之间产生共振跃迁，消耗的量取决于跃迁的性质和双星的参数。以前的云消耗估计考虑了圆轨道上的双星，并进行了近似$α\ll 1$。在这里，我们使用黑洞微扰理论计算不稳定率和衰减宽度的通用值$α$，我们表明，这导致更大的云耗尽估计时，$α\gtrsim 0.1$。我们还研究了偏心双星轨道。我们表明，在这种情况下，共振可以发生在轨道频率的所有谐波，显着扩展的频率范围，云耗尽可以观察到的引力波干涉仪。
2019-05-16 gr-qc
Near-horizon microstructure and superradiant instability of black holes
超轻玻色子作为暗物质的重要候选者，由于超辐射不稳定性，可以在旋转的黑洞（BH）周围凝聚形成长寿命的"玻色子云“。玻色子-BH系统可以通过引力波探测进行观测，可能成为寻找超轻玻色子踪迹的新窗口。在这封信中，我们探讨的超辐射不稳定性的BH从近地平线的微观结构的影响。通过引入BH视界附近的反射参数，得到了玻色云能级和超辐射不稳定性特征频率的修正解析结果。我们的结果暗示了玻色子-BH系统及其发射的引力波的演化将受到BH的近视界物理的影响。
2021-09-08 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Identifying Proca-star mergers via consistent ultralight-boson mass estimates across gravitational-wave events
本文提出贝叶斯混合模型框架，通过跨引力波事件的一致超轻玻色子质量估计识别Proca星并合，为奇异致密天体探测提供新方法。
2025-11-14 gr-qc
Astrophysical searches of ultralight particles
粒子物理学的标准模型是一个$SU(3)_c\times SU(2)_L\times U(1)_Y$规范理论，可以解释粒子之间的强、弱和电磁相互作用。爱因斯坦的广义相对论是描述引力相互作用的经典引力理论。这些理论可以很精确地解释自然界的所有四种基本力。然而，除了粒子物理学的标准模型和爱因斯坦的广义相对论理论之外，还有几个理论和实验的动机来研究物理学。用超轻粒子探测这些新的物理场景有其自身的重要性，因为它们可以成为暗物质的有希望的候选者，可以逃避暗物质直接探测实验的限制，并解决宇宙的小尺度结构问题。在本文中，我们考虑了轴子和规范玻色子作为轻粒子和他们可能的搜索通过天体物理观测。特别是，我们得到的约束超轻轴子的轨道周期损失的紧凑的二元系统，引力光弯曲，夏皮罗时间延迟。我们还从引力波和行星近日点进动的间接证据中推导出超轻规范玻色子的约束条件。这种类型的观测也可以约束几个粒子物理模型，并进行了讨论。
2022-10-13 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Relativistic Stellar Oscillations from Ultralight Dark Matter
Department of Physics \& Astronomy, University of Hawai i, Watanabe Hall, 2505 Correa Road, Honolulu, HI, 96822, USA
本文研究超轻暗物质共振激发相对论性恒星振荡，推导模式振幅计算框架并应用于中子星预测表面温度波动，信号超出当前观测能力，并展望扩展到其他致密天体。
2026-09-18 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Differential torsion sensor for direct detection of ultralight vector dark matter
提出一种双扭摆差分传感器，用于直接探测超轻矢量暗物质，在10^-2-10 Hz频段实现增强差分扭矩灵敏度，预计对耦合常数的约束可达10^-27量级。
2025-03-09 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Sharp Signals of Boson Clouds in Black Hole Binary Inspirals
引力波是超越引力和粒子物理学标准模型的一种新的物理探索。所谓的“引力原子”提供了一种有趣的可能性，其中超辐射不稳定性自发地在旋转的黑洞周围形成超轻玻色子云。这些玻色子云的存在会影响黑洞双星的动力学和它们相关的GW信号。在这封信中，我们表明，双同伴可以诱导云的束缚态和非束缚态之间的转换，有效地“电离”它，类似于原子物理学中的光电效应。在这个过程中失去的轨道能量可以压倒由于GW发射的损失，使电离驱动的inspiral，而不仅仅是扰动it.We表明，电离功率包含尖锐的功能，导致独特的“扭结”在发射GW频率的演变。这些不连续性是玻色子云的独特特征，观察它们不仅可以探测超轻玻色子本身，还可以提供有关其质量和云状态的直接信息。
2022-06-02 gr-qc hep-ph hep-th
