Abstract
Detecting the environment around the supermassive black holes and tests of general relativity are important applications of extreme-mass-ratio inspirals (EMRIs). There is still a challenge to efficiently describe various “dirty” impacts on the inspirals, such as dark matter, gas, dipole radiation, and electromagnetic interaction. In this study, we find the inherent linearity of the asymptotic solution of the inhomogeneous Teukolsky equation. On the basis of this property, we completely decouple the factors of the perturber and the background spacetime in the energy fluxes and waveforms. With the new decoupling form, the waveforms of EMRIs with non-geodesic motion in Kerr spacetime can be conveniently calculated. This will help to resolve the environment (including gas, field, dark matter, electromagnetic interaction) around supermassive black holes and test general relativity.
Similar content being viewed by others
References
B. P. Abbott, et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016), arXiv: 1602.03837.
R. Abbott, et al. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, and the KAGRA Collaboration), Phys. Rev. X 13, 041039 (2023), arXiv: 2111.03606.
P. Amaro-Seoane, H. Audley, S. Babak, J. Baker, E. Barausse, P. Bender, E. Berti, P. Binetruy, M. Born, D. Bortoluzzi, J. Camp, C. Caprini, V. Cardoso, M. Colpi, J. Conklin, N. Cornish, C. Cutler, K. Danzmann, R. Dolesi, L. Ferraioli, V. Ferroni, E. Fitzsimons, J. Gair, L. G. Bote, D. Giardini, F. Gibert, C. Grimani, H. Halloin, G. Heinzel, T. Hertog, M. Hewitson, K. Holley-Bockelmann, D. Hollington, M. Hueller, H. Inchauspe, P. Jetzer, N. Karnesis, C. Killow, A. Klein, B. Klipstein, N. Korsakova, S. L. Larson, J. Livas, I. Lloro, N. Man, D. Mance, J. Martino, I. Mateos, K. McKenzie, S. T. McWilliams, C. Miller, G. Mueller, G. Nardini, G. Nelemans, M. Nofrarias, A. Petiteau, P. Pivato, E. Plagnol, E. Porter, J. Reiche, D. Robertson, N. Robertson, E. Rossi, G. Russano, B. Schutz, A. Sesana, D. Shoemaker, J. Slutsky, C. F. Sopuerta, T. Sumner, N. Tamanini, I. Thorpe, M. Troebs, M. Vallisneri, A. Vecchio, D. Vetrugno, S. Vitale, M. Volonteri, G. Wanner, H. Ward, P. Wass, W. Weber, J. Ziemer, and P. Zweifel, arXiv: 1702.00786.
W. R. Hu, and Y. L. Wu, Natl. Sci. Rev. 4, 685 (2017).
P. Amaro-Seoane, J. Andrews, M. Arca Sedda, A. Askar, Q. Baghi, R. Balasov, I. Bartos, S. S. Bavera, J. Bellovary, C. P. L. Berry, E. Berti, S. Bianchi, L. Blecha, S. Blondin, T. Bogdanović, S. Boissier, M. Bonetti, S. Bonoli, E. Bortolas, K. Breivik, P. R. Capelo, L. Caramete, F. Cattorini, M. Charisi, S. Chaty, X. Chen, M. Chruślińska, A. J. K. Chua, R. Church, M. Colpi, D. D’Orazio, C. Danielski, M. B. Davies, P. Dayal, A. De Rosa, A. Derdzinski, K. Destounis, M. Dotti, I. Duţan, I. Dvorkin, G. Fabj, T. Foglizzo, S. Ford, J. B. Fouvry, A. Franchini, T. Fragos, C. Fryer, M. Gaspari, D. Gerosa, L. Graziani, P. Groot, M. Habouzit, D. Haggard, Z. Haiman, W. B. Han, A. Istrate, P. H. Johansson, F. M. Khan, T. Kimpson, K. Kokkotas, A. Kong, V. Korol, K. Kremer, T. Kupfer, A. Lamberts, S. Larson, M. Lau, D. Liu, N. Lloyd-Ronning, G. Lodato, A. Lupi, C. P. Ma, T. Maccarone, I. Mandel, A. Mangiagli, M. Mapelli, S. Mathis, L. Mayer, S. McGee, B. McKernan, M. C. Miller, D. F. Mota, M. Mumpower, S. S. Nasim, G. Nelemans, S. Noble, F. Pacucci, F. Panessa, V. Paschalidis, H. Pfister, D. Porquet, J. Quenby, A. Ricarte, F. K. Röpke, J. Regan, S. Rosswog, A. Ruiter, M. Ruiz, J. Runnoe, R. Schneider, J. Schnittman, A. Secunda, A. Sesana, N. Seto, L. Shao, S. Shapiro, C. Sopuerta, N. C. Stone, A. Suvorov, N. Tamanini, T. Tamfal, T. Tauris, K. Temmink, J. Tomsick, S. Toonen, A. Torres-Orjuela, M. Toscani, A. Tsokaros, C. Unal, V. Vázquez-Aceves, R. Valiante, M. van Putten, J. van Roestel, C. Vignali, M. Volonteri, K. Wu, Z. Younsi, S. Yu, S. Zane, L. Zwick, F. Antonini, V. Baibhav, E. Barausse, A. Bonilla Rivera, M. Branchesi, G. Branduardi-Raymont, K. Burdge, S. Chakraborty, J. Cuadra, K. Dage, B. Davis, S. E. de Mink, R. Decarli, D. Doneva, S. Escoffier, P. Gandhi, F. Haardt, C. O. Lousto, S. Nissanke, J. Nordhaus, R. O’Shaughnessy, S. Portegies Zwart, A. Pound, F. Schussler, O. Sergijenko, A. Spallicci, D. Vernieri, and A. Vigna-Gómez, Living Rev. Relativ. 26, 2 (2023), arXiv: 2203.06016.
X. Zhong, W. B. Han, Z. Luo, and Y. Wu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66, 230411 (2023), arXiv: 2305.04478.
S. Babak, J. Gair, A. Sesana, E. Barausse, C. F. Sopuerta, C. P. L. Berry, E. Berti, P. Amaro-Seoane, A. Petiteau, and A. Klein, Phys. Rev. D 95, 103012 (2017), arXiv: 1703.09722.
P. Amaro Seoane, M. Arca Sedda, S. Babak, C. P. L. Berry, E. Berti, G. Bertone, D. Blas, T. Bogdanović, M. Bonetti, K. Breivik, R. Brito, R. Caldwell, P. R. Capelo, C. Caprini, V. Cardoso, Z. Carson, H. Y. Chen, A. J. K. Chua, I. Dvorkin, Z. Haiman, L. Heisenberg, M. Isi, N. Karnesis, B. J. Kavanagh, T. B. Littenberg, A. Mangiagli, P. Marcoccia, A. Maselli, G. Nardini, P. Pani, M. Peloso, M. Pieroni, A. Ricciardone, A. Sesana, N. Tamanini, A. Toubiana, R. Valiante, S. Vretinaris, D. J. Weir, K. Yagi, and A. Zimmerman, Gen. Relativ. Gravit. 54, 3 (2022), arXiv: 2107.09665.
V. Cardoso, K. Destounis, F. Duque, R. P. Macedo, and A. Maselli, Phys. Rev. Lett. 129, 241103 (2022), arXiv: 2210.01133.
J. Bamber, J. C. Aurrekoetxea, K. Clough, and P. G. Ferreira, Phys. Rev. D 107, 024035 (2023), arXiv: 2210.09254.
L. Barack, V. Cardoso, S. Nissanke, T. P. Sotiriou, A. Askar, C. Belczynski, G. Bertone, E. Bon, D. Blas, R. Brito, T. Bulik, C. Burrage, C. T. Byrnes, C. Caprini, M. Chernyakova, P. Chruściel, M. Colpi, V. Ferrari, D. Gaggero, J. Gair, J. García-Bellido, S. F. Hassan, L. Heisenberg, M. Hendry, I. S. Heng, C. Herdeiro, T. Hinderer, A. Horesh, B. J. Kavanagh, B. Kocsis, M. Kramer, A. Le Tiec, C. Mingarelli, G. Nardini, G. Nelemans, C. Palenzuela, P. Pani, A. Perego, E. K. Porter, E. M. Rossi, P. Schmidt, A. Sesana, U. Sperhake, A. Stamerra, L. C. Stein, N. Tamanini, T. M. Tauris, L. A. Urena-López, F. Vincent, M. Volonteri, B. Wardell, N. Wex, K. Yagi, T. Abdelsalhin, M. Á. Aloy, P. Amaro-Seoane, L. Annulli, M. Arca-Sedda, I. Bah, E. Barausse, E. Barakovic, R. Benkel, C. L. Bennett, L. Bernard, S. Bernuzzi, C. P. L. Berry, E. Berti, M. Bezares, J. J. Blanco-Pillado, J. L. Blázquez-Salcedo, M. Bonetti, M. Bošković, Z. Bosnjak, K. Bricman, B. Brügmann, P. R. Capelo, S. Carloni, P. Cerdá-Durán, C. Charmousis, S. Chaty, A. Clerici, A. Coates, M. Colleoni, L. G. Collodel, G. Compére, W. Cook, I. Cordero-Carrión, M. Correia, Á. de la Cruz-Dombriz, V. G. Czinner, K. Destounis, K. Dialektopoulos, D. Doneva, M. Dotti, A. Drew, C. Eckner, J. Edholm, R. Emparan, R. Erdem, M. Ferreira, P. G. Ferreira, A. Finch, J. A. Font, N. Franchini, K. Fransen, D. Gal’tsov, A. Ganguly, D. Gerosa, K. Glampedakis, A. Gomboc, A. Goobar, L. Gualtieri, E. Guendelman, F. Haardt, T. Harmark, F. Hejda, T. Hertog, S. Hopper, S. Husa, N. Ihanec, T. Ikeda, A. Jaodand, P. Jetzer, X. Jimenez-Forteza, M. Kamionkowski, D. E. Kaplan, S. Kazantzidis, M. Kimura, S. Kobayashi, K. Kokkotas, J. Krolik, J. Kunz, C. Lämmerzahl, P. Lasky, J. P. S. Lemos, J. Levi Said, S. Liberati, J. Lopes, R. Luna, Y. Z. Ma, E. Maggio, A. Mangiagli, M. M. Montero, A. Maselli, L. Mayer, A. Mazumdar, C. Messenger, B. Meínard, M. Minamitsuji, C. J. Moore, D. Mota, S. Nampalliwar, A. Nerozzi, D. Nichols, E. Nissimov, M. Obergaulinger, N. A. Obers, R. Oliveri, G. Pappas, V. Pasic, H. Peiris, T. Petrushevska, D. Pollney, G. Pratten, N. Rakic, I. Racz, M. Radia, F. M. Ramazanoğlu, A. Ramos-Buades, G. Raposo, M. Rogatko, R. Rosca-Mead, D. Rosinska, S. Rosswog, E. Ruiz-Morales, M. Sakellariadou, N. Sanchis-Gual, O. Sharan Salafia, A. Samajdar, A. Sintes, M. Smole, C. Sopuerta, R. Souza-Lima, M. Stalevski, N. Stergioulas, C. Stevens, T. Tamfal, A. Torres-Forné, S. Tsygankov, K. Ünlütürk, R. Valiante, M. van de Meent, J. Velhinho, Y. Verbin, B. Vercnocke, D. Vernieri, R. Vicente, V. Vitagliano, A. Weltman, B. Whiting, A. Williamson, H. Witek, A. Wojnar, K. Yakut, H. Yan, S. Yazadjiev, G. Zaharijas, and M. Zilhão, Class. Quantum Grav. 36, 143001 (2019), arXiv: 1806.05195.
E. Barausse, E. Berti, T. Hertog, S. A. Hughes, P. Jetzer, P. Pani, T. P. Sotiriou, N. Tamanini, H. Witek, K. Yagi, N. Yunes, T. Abdelsalhin, A. Achucarro, K. van Aelst, N. Afshordi, S. Akcay, L. Annulli, K. G. Arun, I. Ayuso, V. Baibhav, T. Baker, H. Bantilan, T. Barreiro, C. Barrera-Hinojosa, N. Bartolo, D. Baumann, E. Belgacem, E. Bellini, N. Bellomo, I. Ben-Dayan, I. Bena, R. Benkel, E. Bergshoefs, L. Bernard, S. Bernuzzi, D. Bertacca, M. Besancon, F. Beutler, F. Beyer, S. Bhagwat, J. Bicak, S. Biondini, S. Bize, D. Blas, C. Boehmer, K. Boller, B. Bonga, C. Bonvin, P. Bosso, G. Bozzola, P. Brax, M. Breitbach, R. Brito, M. Bruni, B. Brügmann, H. Bulten, A. Buonanno, L. M. Burko, C. Burrage, F. Cabral, G. Calcagni, C. Caprini, A. Cárdenas-Avendaño, M. Celoria, K. Chatziioannou, D. Chernoff, K. Clough, A. Coates, D. Comelli, G. Compére, D. Croon, D. Cruces, G. Cusin, C. Dalang, U. Danielsson, S. Das, S. Datta, J. de Boer, V. De Luca, C. De Rham, V. Desjacques, K. Destounis, F. D. Filippo, A. Dima, E. Dimastrogiovanni, S. Dolan, D. Doneva, F. Duque, R. Durrer, W. East, R. Easther, M. Elley, J. R. Ellis, R. Emparan, J. M. Ezquiaga, M. Fairbairn, S. Fairhurst, H. F. Farmer, M. R. Fasiello, V. Ferrari, P. G. Ferreira, G. Ficarra, P. Figueras, S. Fisenko, S. Foffa, N. Franchini, G. Franciolini, K. Fransen, J. Frauendiener, N. Frusciante, R. Fujita, J. Gair, A. Ganz, P. Garcia, J. Garcia-Bellido, J. Garriga, R. Geiger, C. Geng, L. Á. Gergely, C. Germani, D. Gerosa, S. B. Giddings, E. Gourgoulhon, P. Grandclement, L. Graziani, L. Gualtieri, D. Haggard, S. Haino, R. Halburd, W. B. Han, A. J. Hawken, A. Hees, I. S. Heng, J. Hennig, C. Herdeiro, S. Hervik, J. Holten, C. J. D. Hoyle, Y. Hu, M. Hull, T. Ikeda, M. Isi, A. Jenkins, F. Julié, E. Kajfasz, C. Kalaghatgi, N. Kaloper, M. Kamionkowski, V. Karas, S. Kastha, Z. Keresztes, L. Kidder, T. Kimpson, A. Klein, S. Klioner, K. Kokkotas, H. Kolesova, S. Kolkowitz, J. Kopp, K. Koyama, N. V. Krishnendu, J. A. V. Kroon, M. Kunz, O. Lahav, A. Landragin, R. N. Lang, C. L. Poncin-Lafitte, J. Lemos, B. Li, S. Liberati, M. Liguori, F. Lin, G. Liu, F. S. N. Lobo, R. Loll, L. Lombriser, G. Lovelace, R. P. Macedo, E. Madge, E. Maggio, M. Maggiore, S. Marassi, P. Marcoccia, C. Markakis, W. Martens, K. Martinovic, C. J. A. P. Martins, A. Maselli, S. Mastrogiovanni, S. Matarrese, A. Matas, N. E. Mavromatos, A. Mazumdar, P. D. Meerburg, E. Megias, J. Miller, J. P. Mimoso, L. Mittnacht, M. M. Montero, B. Moore, P. Martin-Moruno, I. Musco, H. Nakano, S. Nampalliwar, G. Nardini, A. Nielsen, J. Novák, N. J. Nunes, M. Okounkova, R. Oliveri, F. Oppizzi, G. Orlando, N. Oshita, G. Pappas, V. Paschalidis, H. Peiris, M. Peloso, S. Perkins, V. Pettorino, I. Pikovski, L. Pilo, J. Podolsky, A. Pontzen, S. Prabhat, G. Pratten, T. Prokopec, M. Prouza, H. Qi, A. Raccanelli, A. Rajantie, L. Randall, G. Raposo, V. Raymond, S. Renaux-Petel, A. Ricciardone, A. Riotto, T. Robson, D. Roest, R. Rollo, S. Rosofsky, J. J. Ruan, D. Rubiera-García, M. Ruiz, M. Rusu, F. Sabatie, N. Sago, M. Sakellariadou, I. D. Saltas, L. Sberna, B. Sathyaprakash, M. Scheel, P. Schmidt, B. Schutz, P. Schwaller, L. Shao, S. L. Shapiro, D. Shoemaker, A. Silva, C. Simpson, C. F. Sopuerta, A. Spallicci, B. A. Stefanek, L. Stein, N. Stergioulas, M. Stott, P. Sutton, R. Svarc, H. Tagoshi, T. Tahamtan, H. Takeda, T. Tanaka, G. Tantilian, G. Tasinato, O. Tattersall, S. Teukolsky, A. L. Tiec, G. Theureau, M. Trodden, A. Tolley, A. Toubiana, D. Traykova, A. Tsokaros, C. Unal, C. S. Unnikrishnan, E. C. Vagenas, P. Valageas, M. Vallisneri, J. V. Brand, C. V. Broeck, M. de Meent, P. Vanhove, V. Varma, J. Veitch, B. Vercnocke, L. Verde, D. Vernieri, F. Vernizzi, R. Vicente, F. Vidotto, M. Visser, Z. Vlah, S. Vretinaris, S. Völkel, Q. Wang, Y. T. Wang, M. C. Werner, J. Westernacher, R. Weygaert, D. Wiltshire, T. Wiseman, P. Wolf, K. Wu, K. Yamada, H. Yang, L. Yi, X. Yue, D. Yvon, M. Zilhão, A. Zimmerman, and M. Zumalacarregui, Gen. Relativ. Gravit. 52, 81 (2020), arXiv: 2001.09793.
Y. L. Wu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 66, 260411 (2023), arXiv: 2208.03290.
T. Hinderer, and É. É. Flanagan, Phys. Rev. D 78, 064028 (2008), arXiv: 0805.3337.
A. Ramos-Buades, M. van de Meent, H. P. Pfeiffer, H. R. Rüter, M. A. Scheel, M. Boyle, and L. E. Kidder, Phys. Rev. D 106, 124040 (2022), arXiv: 2209.03390.
Y. Mino, M. Sasaki, M. Shibata, H. Tagoshi, and T. Tanaka, Prog. Theor. Phys. Suppl. 128, 1 (1997).
S. Chatterjee, S. Mondal, and P. Basu, Mon. Not. R. Astron. Soc. 526, 5612 (2023), arXiv: 2307.12144.
A. Franchini, M. Bonetti, A. Lupi, G. Miniutti, E. Bortolas, M. Giustini, M. Dotti, A. Sesana, R. Arcodia, and T. Ryu, Astron. Astrophys. 675, A100 (2023), arXiv: 2304.00775.
P. S. Cole, G. Bertone, A. Coogan, D. Gaggero, T. Karydas, B. J. Kavanagh, T. F. M. Spieksma, and G. M. Tomaselli, Nat. Astron. 7, 943 (2023), arXiv: 2211.01362.
V. De Luca, and J. Khoury, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2023, 48 (2023), arXiv: 2302.10286.
A. Maselli, N. Franchini, L. Gualtieri, and T. P. Sotiriou, Phys. Rev. Lett. 125, 141101 (2020), arXiv: 2004.11895.
S. Barsanti, A. Maselli, T. P. Sotiriou, and L. Gualtieri, Phys. Rev. Lett. 131, 051401 (2023), arXiv: 2212.03888.
C. Zhang, H. Guo, Y. Gong, and B. Wang, J. Cosmol. Astropart. Phys. 2023(6), 020 (2023), arXiv: 2301.05915.
D. Liang, R. Xu, Z. F. Mai, and L. Shao, Phys. Rev. D 107, 044053 (2023), arXiv: 2212.09346.
M. Rahman, and A. Bhattacharyya, Phys. Rev. D 107, 024006 (2023), arXiv: 2112.13869.
G. A. Piovano, A. Maselli, and P. Pani, Phys. Rev. D 102, 024041 (2020), arXiv: 2004.02654.
K. Eda, Y. Itoh, S. Kuroyanagi, and J. Silk, Phys. Rev. Lett. 110, 221101 (2013), arXiv: 1301.5971.
G. L. Li, Y. Tang, and Y. L. Wu, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 100412 (2022), arXiv: 2112.14041.
R. Brito, and S. Shah, Phys. Rev. D 108, 084019 (2023), arXiv: 2307.16093.
J. Steinhoff, and D. Puetzfeld, Phys. Rev. D 81, 044019 (2010), arXiv: 0909.3756.
P. Shen, W. B. Han, C. Zhang, S. C. Yang, X. Y. Zhong, Y. Jiang, and Q. Cui, Phys. Rev. D 108, 064015 (2023), arXiv: 2303.13749.
S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 185, 635 (1973).
W. H. Press, and S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 185, 649 (1973).
S. A. Teukolsky, and W. H. Press, Astrophys. J. 193, 443 (1974).
W Tulczyjew, Acta Phys. Pol, 18, 94 (1959).
R. A. Isaacson, Phys. Rev. 166, 1272 (1968).
S. W. Hawking, and J. B. Hartle, Commun. Math. Phys. 27, 283 (1972).
X. J. Yue, and W. B. Han, Phys. Rev. D 97, 064003 (2018).
P. Gondolo, and J. Silk, Phys. Rev. Lett. 83, 1719 (1999).
K. Eda, Y. Itoh, S. Kuroyanagi, and J. Silk, Phys. Rev. D 91, 044045 (2015), arXiv: 1408.3534.
B. Bonga, H. Yang, and S. A. Hughes, Phys. Rev. Lett. 123, 101103 (2019), arXiv: 1905.00030.
M. Vallisneri, Phys. Rev. D 77, 042001 (2008), arXiv: gr-qc/0703086.
S. A. Hughes, Phys. Rev. D 61, 084004 (2000), arXiv: gr-qc/9910091.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Ethics declarations
Conflict of interest The authors declare that they have no conflict of interest.
Additional information
This work was supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFC2203002), the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12173071). This work made use of the High Performance Computing Resource in the Core Facility for Advanced Research Computing at Shanghai Astronomical Observatory.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Jiang, Y., Han, WB. General formalism for dirty extreme-mass-ratio inspirals. Sci. China Phys. Mech. Astron. 67, 270411 (2024). https://doi.org/10.1007/s11433-024-2366-5
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-024-2366-5