Axions are one of the best-motivated particles beyond the standard model of particle physics and a promising candidate for dark matter. Through the superradiant instability, axions can extract a significant amount of rotational energy from spinning black holes resulting in dense axion clouds. These axion clouds can imprint themselves on the spin of the black hole and even emit detectable gravitational waves, making them very potent tools in the search for axions. The considerable number of axions present in these clouds can also compensate for the weak coupling between the axion and the standard model particles. However, the interaction between the cloud and the astrophysical plasma that the black hole accretes is often assumed to be negligible. In this thesis, we examine this assumption by studying the interaction between the astrophysical plasma and the axion cloud to determine if it can cause any significant effects. We find no new gravitational signatures and can conclude that the interaction is not effective enough to halt the evolution of the cloud. Therefore, the main focus of this work is the emitted low-frequency photons that the axions convert into through the interaction. We find that the emission from systems with typical accretion rates can reach up to 10^14 W and is most efficient around fast-spinning stellar black holes that accrete spherically without an accretion disk. However, we conclude that most of this emission will quickly be reabsorbed into the plasma and not cause any detectable signals. We also study resonant conversion of axions, which can occur when the plasma frequency is comparable to the axion mass. We find that the low accretion rates that enable this are reachable around isolated stellar-mass black holes that travel rapidly through low-density regions of space. In these systems, the luminosity can reach 10^25 W, and possibly even higher if we include stimulation effects. We can, therefore, conclude that a population of fast-traveling isolated black holes can pose a new tool in the search for axions. / Axioner är en av de bäst motiverade partiklarna bortom standardmodellen för partikelfysik och en lovande kandidat för mörk materia. Genom superstrålning kan axioner extrahera en signifikant mängd rotationsenergi från svarta hål vilket kan resultera i täta axionmoln. Dessa axionmoln kan ge avtryck genom deras påverkan på spinnet hos svarta hål och till och med avge detekterbara gravitationsvågor. Detta gör axionmoln till kraftfulla verktyg i sökandet efter axioner. Den stora mängd axioner som dessa moln består av kan också kompensera för den svaga växelverkan mellan axionerna och partiklarna från standardmodellen. Växelverkan mellan molnet och den astrofysikaliska plasmat som det svarta hålet ackumulerar från omgivningen antas ändå ofta vara försumbar. I denna rapport undersöker vi detta antagande genom att studera växelverkan mellan den astrofysikaliska plasmat och axionmolnet för att avgöra om den kan orsaka några observerbara effekter. Vi finner inga nya gravitationella effekter och kan dra slutsatsen att växelverkan inte är tillräckligt effektiv för att påverka utvecklingen av axionmolnet. Därför är huvudfokus i detta arbete utstrålningen av de fotoner som resulterar från växelverkan. Vi finner att emissionen från system med typiska ackretionshastigheter kan nå upp till 10^14 W och är mest effektiv kring svarta hål med låg massa och högt spinn som ackumulerar sfäriskt utan att bilda en ackretionsskiva. Vi drar dock slutsatsen att det mesta av denna emission snabbt kommer att återabsorberas i plasmat och inte orsaka några detekterbara signaler. Vi studerar även konvertering av axioner via resonans, vilket kan inträffa när plasmafrekvensen är jämförbar med massan hos axionerna. Vi finner att de låga ackretionshastigheterna som möjliggör detta kan nås runt isolerade svarta hål som färdas snabbt genom delar av rymden med låg omgivande densitet. I dessa system kan luminositieten nå 10^25 W, och möjligen ännu högre om vi inkluderar stimuleringseffekter. Vi kan därför dra slutsatsen att en population av isolerade svarta hål med hög hastighet kan potentiellt användas i sökandet efter axioner.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-304997 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Engstedt, Erik |
| Publisher | KTH, Fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2021:348 |
Page generated in 0.0034 seconds