Superradiant Instabilities of Multiple Scalar Fields around a Rotating Black Hole

Abstract

We study the dynamical evolution of superradiant instabilities of rotating black hole for two or more non-interacting scalar fields with comparable masses. This is motivated by String Theory constructions which typically exhibit a large number of light axion, with a broad range of masses. We show, in particular, that even though superradiant clouds for the heavier axion species grow faster, they are eventually reabsorbed by the black hole as the latter starts amplifying the lighter axion field(s). We explore the dynamics of single and multiple axions using both analytical and numerical techniques, as well as tools from dynamical systems analysis. We also incorporate in our study the effects of accretion disks surrounding black holes and gravitational wave emission by the superradiant scalar clouds. Furthermore, we find that the dynamics of multiple superradiant clouds exhibit an interesting analogy with biological systems. Finally, we determine the stochastic gravitational wave background resulting from scalar superradiant clouds formed around black holes with 10-100 solar masses produced by binary black hole mergers through the cosmic history. We show that the gravitational wave spectrum resulting from a single or multiple ultra-light axions species with comparable masses are distinguishable, in particular that the amplitude of the spectrum is smaller in the latter case. This may have a significant impact on future searches for these exotic particles with planed gravitational wave detectors.

Nesta tese estudamos a dinâmica de instabilidades superradiantes de buracos negros em rotação para dois ou mais campos escalares não interactuantes com massas comparáveis. Estes campos são motivados por construções da Teoria das Cordas que tipicamente exibem um grande número de campos de axiões leves, ao longo de uma vasta gama de massas. Demonstramos, em particular, que embora as nuvens superradiantes para as espécies de axiões mais pesados cresçam mais rapidamente, elas são eventualmente reabsorvidas pelo buraco negro à medida que este amplifica o(s) campo(s) de axiões mais leves. Exploramos a dinâmica entre múltiplos axiões, e axiões individuais utilizando técnicas analíticas e numéricas, bem como ferramentas de análise de sistemas dinâmicos e complexos. Também incorporamos no nosso estudo os efeitos de discos de acreção em torno de buracos negros e de emissão de ondas gravitacionais pelas nuvens escalares superadiantes. Mais ainda, devido à dinâmica das mútiplas nuvens superradiantes foi possível encontrar uma analogia interessante com sistemas biológicos. Finalmente, determinamos a emissão de ondas gravitacionais estocásticas de fundo provinda de nuvens superradiantes formadas em torno de buracos negros com massas entre 10-100 massas solares produzidos em colisões de buracos negros. Mostramos que o espectro das ondas gravitacionais resultante de uma única ou múltiplas espécies de axiões ultraleves com massas comparáveis é distinguível, em particular a amplitude do espectro torna-se menor neste caso. Este resultado poderá ter um impacto significativo na procura, com recurso a detores de ondas gravitacionais futuros, destas partículas exóticas.