自相互作用标量场的黑洞超辐射

黑洞超辐射是对轻的、弱耦合隐 sector 粒子的有力探测手段。许多候选粒子（如轴子）通常具有自相互作用，可影响超辐射不稳定性的演化。正如 arXiv:1604.06422 在一个玩具模型中指出的，现有关于自旋-0 超辐射的文献大多未考虑最重要的自相互作用诱导过程。这些过程导致准束缚能级之间的能量交换以及粒子向无穷远的发射；对于大的自耦合，超辐射增长在具有降低的能级占据数的准平衡构型处饱和。在本文中，我们对具有自相互作用的自旋-0 超辐射的丰富动力学及其观测特征进行了详细分析。我们聚焦于四次自相互作用，其在大多数相关模型的演化中占主导。我们探索了由非零自相互作用引入的多个不同的参数空间区域，包括两个或更多束缚能级的同时占据；在大耦合下，我们确认了准平衡饱和的基本图像，并提供证据表明“bosenova”坍缩在大部分天体物理参数空间中不会发生。与引力超辐射相比，我们发现引力波“湮灭”信号和黑洞自旋下降随相互作用增强而参数化抑制，而新的引力波“跃迁”信号可在中等相互作用下发生。标量波发射这一新现象在大耦合下抑制较弱，若该粒子具有标准模型相互作用，则来自黑洞超辐射的相干、单色轴子波信号可能在拟议的轴子暗物质实验中被探测到。