Kerr 黑洞超辐射的自互作用效应及其观察意义

通过黑洞（BH）超辐射，超轻玻色子可在旋转 Kerr 黑洞周围形成致密云。某些超轻玻色子，如阿尔法子和阿尔法样粒子（作为暗物质备选方案），天然具有自互作用，因而可能显著修改超辐射过程的动力学。以往的研究通常忽略了玻色子的自互作用效应。在本工作中，我们研究了在完整 Kerr 时空中考虑自互作用的玻色子云的形成与演化。采用数值方法，我们计算了具有自互作用的玻色子云围绕 Kerr 黑洞的超辐射生长率，并定量评估了标量玻色子的自互作用强度如何影响生长率。我们还评估了黑洞质量和自旋的演化。我们的结果表明，除了超辐射对玻色子云质量施加的上限外，超轻玻色子的自互作用引入了新的下临界质量限制，超过此限制后，玻色子云的生长率将趋于零。这意味着在考虑自互作用时，超辐射过程会提前终止。此外，我们探讨了自互作用如何影响引力原子中玻色子云的振荡频率以及通过云端湮灭辐射的引力波频率。预期的频率偏移可能被引力波观测仪器探测到。鉴于自互作用显著改变了黑洞超辐射的演化，其效应可显著放宽现有对标量玻色子的约束。以 GW190412 和 GW190517 的自旋测量为例，我们详细讨论了自互作用对约束结果的影响。