利用黑洞与引力波发现 QCD 轴子

Advanced LIGO 可能是首个探测到引力波的实验。通过恒星级黑洞的超辐射效应，它也可能是首个发现衰变常数高于大统一理论 (GUT) 能标的 QCD 轴子的实验。当轴子的康普顿波长与黑洞尺寸相当时，轴子会束缚于黑洞，形成“引力原子”。通过超辐射过程，占据束缚能级的轴子数量呈指数增长，从而从黑洞中提取能量和角动量。轴子在引力原子能级间的跃迁以及轴子湮灭为引力子，均可产生可观测的引力波信号。这些信号持续时间长、单色性强，可与普通天体物理源区分开来。我们估计，对于质量在 $10^{-11}$ 至 $10^{-10}$ eV 之间的轴子，aLIGO 可探测到 $O(1)$ 次跃迁事件；对于质量在 $10^{-13}$ 至 $10^{-11}$ eV 之间的轴子，可探测到高达 $10^4$ 次湮灭事件。若搜索结果为空，aLIGO 可在一定范围的快速旋转黑洞形成率下限制轴子质量。轴子湮灭对于未来更低频的引力波天文台探测更轻质量的轴子也颇具前景；其发生率存在较大不确定性，主要受超大质量黑洞自旋分布主导。我们对 aLIGO 的预测对于黑洞环境的微扰具有鲁棒性，并纳入了基于恒星级黑洞自旋测量提出的关于 QCD 轴子的最新排除范围 $6\times10^{-13} \text{ eV} < m_a < 2\times10^{-11} \text{ eV}$。