针对超轻玻色子的引力波定向搜索

引力波探测器可搜索尚未发现的超轻玻色子，包括那些被猜想用以解决粒子物理、高能理论与宇宙学问题的玻色子。地面仪器可探测质量介于 $10^{-15}$ eV 到 $10^{-11}$ eV 的玻色子，这是其他实验大范围无法触及的。在本文中，我们探讨搜索已知黑洞周围玻色子云所产生的连续引力波的前景。我们仔细研究预言的波形，并使用最新可用的数值结果为不同黑洞与玻色子参数建模信号。随后我们展示一种特定方法（隐马尔可夫模型跟踪）适于高效搜索此类信号，即便源参数并非完全已知且允许理论预言存在一定不确定性。我们在玻色子信号背景下实证研究了该方法的灵敏度与计算代价，发现将有可能瞄准至少由三台仪器定位的致密双星并合遗迹。对标量云信号，我们还计算了未来探测器（Advanced LIGO、LIGO Voyager、Cosmic Explorer 与 Einstein Telescope）的探测视界。在其他结果中，我们发现，在一年观测后，设计灵敏度下的 Advanced LIGO 探测器可探测这些源至超过 100 Mpc，而 Cosmic Explorer 可到达超过 $10^4$ Mpc。这些预测比先前基于信号功率解析近似或理想化搜索策略的估计提供了更完整的图景。最后，我们讨论了对致密双星并合与 X 射线双星中黑洞跟进的具体启示。在此过程中，我们综述了黑洞周围玻色子的基本物理，希望能在理论与数据分析文献间提供一座桥梁。