轴子-克尔黑洞系统的超辐射过程

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弦理论和QCD都预言了极轻轴子的存在,若这些轴子大量存在于宇宙中,则它们极有可能与克尔黑洞相结合组成轴子-黑洞系统。轴子与黑洞“核”结合,在宇宙中形成一个引力原子。类似于氢原子,轴子像电子一样可以形成束缚态并且具有能级结构,因此我们称其为轴子云。当束缚态轴子的频率小于某一临界频率时,轴子会通过类似彭罗斯过程的超辐射机制从旋转的黑洞中提取能量。由于势井的存在,轴子通过超辐射获得的能量无法发射出去,导致轴子场的振幅不断增大,轴子数不断增多,致使克尔黑洞的自旋不断下降。然而由于轴子自相互作用的存在,束缚态的轴子还会湮灭为自由轴子并发射出去。若轴子的湮灭率不能超过超辐射率,那么当轴子云中的轴子数增大到某个临界值时,轴子云会发生爆炸,这种现象被称为Bosenova。轴子场所满足的Klein-Gordon方程在克尔时空中可以使用分离变量法分解为径向和角向方程。之前的文章在轴子质量很小时给出了径向方程的近似解。由于现在还没有一个适用于全参数空间的完整解析解,所以我们通过连续分数法精确数值计算了轴子场的本征频率和本征波函数。结果显示近似解与我们的数值结果在轴子质量很小时是一致的,而在轴子质量比较大时出现了较大的差异。此外我们还补全了先前的文章中没有得到的更高能级的超辐射率。我们还使用微扰论的方法计算了轴子的湮灭率,然后通过把湮灭率与超辐射率相比较得到了平衡条件。我们初步结果显示:在很大的参数空间下,平衡时的轴子数小于Bosenova,发生所需的轴子数,所以轴子的产生和湮灭可以达到动态平衡,从而Bosenova不会发生。
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