40
Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京京京京京京京 京京 京京京京京京 京京京 京京京京京京 M2 京京 京 京京京京京 京京京京 京京 京 京京 :( , 京京京京 京京 京

Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Quasinormal Ringing ofAcoustic Black Holes

京都大学大学院 人間・環境学研究科宇宙論・重力グループ  M2

奥住 聡

共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環) , 吉田英生(京大 工)

Page 2: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

What is an Acoustic Black Hole?

“Acoustic BH” = Transonic Flow

down 1|| M1|| M 1|| M up

sonic point

effsc

velocityfluid:

velocitysound:

v

cs

)1(eff Mccvc sss

“effective” sound velocity in the lab

Acoustic BH region

In the supersonic region,sound waves cannot propagate against the flow.

= sonic horizon

 “ Acoustic Black Hole”

0 scv0 scv0 scv

Page 3: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

throat

“Laval Nozzle”:Convergent-Divergent Nozzle

Page 4: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

THEORY

Graduate School of H&E Studies

EXPERIMENT

Graduate School of Engineering

TARGETS• Hawking Radiation

• Quasinormal Ringing

numerical

Planckian fit

Acoustic BH Experiment Project at Kyoto Univ.

Page 5: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

compressor

mass flow meter

settling chamber

Laval nozzle

flow

20cm

Configuration

Page 6: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Quasinormal Ringing

“Characteristic ‘sound’ of BHs (and NSs)”

occurs when the geometry around a BH is perturbed

and settles down into its stationary state.

e.g. after BH formation / test particle infall

Described as a superposition of a countably infinite number

of damped sinusoids (QuasiNormal Modes, QNMs).

QNM frequencies contain the information on (M,J) of BHs.

Page 7: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Quasinormal Ringing of a BH

NS-NS merger to a BH (Shibata & Taniguchi, 2006)

QN ringing

inspiral phase merger phase

Page 8: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Definition of QNMs

Schroedinger-type wave eq. outgoing BCswith

QNMs are defined as solutions of

horizon

infinity

solutions:

n: complex

Page 9: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example: Schwarzschild Black Hole

Page 10: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

horizon

spatial infinity

Example: Schwarzschild Black Hole

~ rg-2

Page 11: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example: Schwarzschild Black Hole

fundamental (n=0) mode

Page 12: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Goal of This Study

What form of nozzle yield the QNM easiest to observe?A measure of the detectability: “Q-value”

Are QNMs excited in experimentally feasible situations?

Numerical simulation (full order calculation)

Find the form of the nozzle which yield large Q

Experimental testing of gravitational-wave analysis

(such as matched filtering)

Does acoustic BH really have QNMs?

Questions

Page 13: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

-- wave eq. for velocity potential perturbation

Sound Waves in Inhomogeneous Fluid Flow

Perturbation:

1D flow approx.:

Page 14: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Schroedinger-type Wave Equation

cs0: sound speed at stagnation points

, v, A : independent of t

M : Mach number

where

“effective potential”

Page 15: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Potential Barrier for Different Laval Nozzles

Consider a family of Laval nozzle:

nozzle radius

K : integer

r

tank 1 tank 2nozzleflow

Page 16: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Potential Barrier for Different Laval Nozzles

1.04L

3.92L-2

11.4L-2

1.19L

flow

sonic horizon

flow

sonic horizon

Page 17: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Procedure for Calculating QN Freq’s

Calculate the “S-matrix” for the potential barrier V():

Then, impose the outgoing B.C. ,

and find ’s that satisfy the boundary condition.

: “S-matrix”

Page 18: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

WKB Approach

0

Region (I) & (III): WKB solutions for truncated V() Around : exact solution for truncated V()

Expand V() in a Taylor series about the maximum point 0:

(I)

(II) (III)

1st order: Schutz & Will, 1985

3rd order: Iyer & Will, 1987

6th order: Konoplya, 2004

Matching

matching regions2312

Page 19: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

WKB Approach: S-Matrix

Here, is related to by

where

(1st WKB)

Page 20: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM Solutions by WKB Approach

Conditions for QNMs:

i.e.

QNM frequency

(1st WKB value)

Page 21: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM Frequencies of Different Laval Nozzles

(WKB approx.breaks down)

Q = 2

Q = 1

WKB solution:Schutz & Will (1985)Iyer & Will (1987)

: peak point of V

n=0 mode freq.

(3rd WKB value)

Page 22: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Numerical Simulation of Acoustic QN Ringing

We perform two types of simulations:

“Acoustic BH Formation”

initial state: no flow

set sufficiently large pressure difference

final state: transonic flow

“Weak Shock Infall”

initial state: transonic flow

let a weak shock “fall” into the horizon

final state: transonic flow

~ BH formation ~ test particle infall

flow

Page 23: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example of Transonic Flow

flow

sonic horizonsupersonic subsonic

Page 24: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Result 1: Weak Shock Infall

steady shock

horizon

gif

weak shock

Page 25: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Result 1: Weak Shock Infall

steady shock

horizon

weak shock

QN ringing

gif

Page 26: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM fit(3rd WKB)

numerical

ringdown phase

observed waveform

Result 1: Weak Shock Infall

Page 27: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM fit(3rd WKB)

numerical

nonlinear phase

ringdown phase

Result 2: Acoustic BH Formation

observed waveform

Page 28: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM fit (3rd WKB)

numerical

nonlinear phase

ringdown phase

Result 2: Acoustic BH Formation

observed waveform

Numerical waveform agrees with the least damped QNM very well!

Page 29: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Numerical Simulation: Discussion

In both types of simulations, QNMs are actually excited.

The results agree with WKB analysis well ( for K

>1 ).Typical values in laboratories:

cf. real BH:(l=m=2, least-

damped)>2.0

LN

0~L

cs

QNMs of acoustic BHs decay too quickly. Difficult to detect in experiments…?

Page 30: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Partially Reflected Quasinormal Modes (PRQNMs)

outgoing B.C. + “half mirror” B.C.

“half mirror”

c

Page 31: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example: Contact Surface in Perfect Fluid

Contact surface (contact discontinuity):• discontinuity of the density .

• the pressure p and the fluid velocity v are continuous.

• moves with the surrounding fluid, i.e., vc= v .

• partially reflects sound waves.

vcv v

1 2

Contact Surface(C.S.)

Page 32: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example: Contact Surface in Perfect Fluid

vcv v

1 2

If vc(= v) << cs ,

refl. coeff. R() for sound waves propagating from 1 to 2is given by [e.g. Landau & Lifshitz, Fluid Mechanics]

C.S.

Page 33: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

PRQNM Solutions by WKB Approach

Partially Reflecting B.C. :

Page 34: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Example: Contact Surface in Perfect Fluid

Re ReIm Im

Table: the least damped PRQNM frequency (3rd WKB value)

contact surface enhances Q-value!!

Page 35: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

observed waveform

PRQNM fit (3rd WKB)

numerical

Numerical Simulation of PRQNMs

Page 36: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

Numerical Simulation of PRQNMs

no contact surface contact surface present

Page 37: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

SummaryFor future experiments, we have studied QN ringing of acoustic BHs in Laval nozzles.

A contact surface elongates the damping times of QNMs.

Acoustic BHs (transonic fluid flow) do have QNMs.

QNMs are excited in experimentally feasible situations.

A wider range of Q becomes accessible!

Experimental testing of gravitational-wave analysis(such as matched filtering) .Astrophysical BH surrounded by a “half mirror” ??

Future Works

Page 38: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

PRQNM Solutions by WKB ApproachIn region (III),

right-going WKB sol.

left-going WKB sol.

c

region (III) region (IV)

23

Page 39: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

PRQNM Solutions by WKB ApproachIn region (III),

right-going WKB sol.

left-going WKB sol.

Furthermore, if clies far away from the potential barrier,

Page 40: Quasinormal Ringing of Acoustic Black Holes 京都大学大学院 人間・環境学研究科 宇宙論・重力グループ M2 奥住 聡 共同研究者:阪上雅昭(京大 人・環),

QNM fit

PRQNM fit

Numerical Simulation of PRQNMs

For t <15, an “ordinary” QNM (not PRQNM) dominates,

since the potential barrier is not yet “aware”

of the contact surface.