NANOGrav最近发布的脉冲星计时数据的理论解释

  北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)是一种重力波探测器,它使用脉冲星网络(即类似钟状的恒星)来监视地球附近的区域。到2020年底,NANOGrav合作收集了45个脉冲星定时数据波动的证据,这可能与纳赫兹频率的随机重力波背景(SGWB)信号兼容。

  这些引力波可能与巨大黑洞的合并有关。然而,世界各地的理论物理学家团队已经为NANOGrav观测到的引力波提供了替代解释。一些研究小组认为,它们可能是由被称为宇宙弦的超稠密细丝产生的,而另一些人则认为它们可能是在原始黑洞诞生期间产生的。

NANOGrav最近发布的脉冲星计时数据的理论解释

  NANOGrav数据的宇宙字符串解释

  伦敦国王学院和华沙大学的两位研究员John Ellis和Marek Lewicki最近提供了对新的NANOGrav数据的宇宙弦理论解释。他们表明,NANOGrav可能观测到的SGWB信号可能是由早期宇宙中诞生的宇宙弦网络产生的。研究人员推测该网络将随着宇宙的扩展而演化,并在弦碰撞时产生闭环。然后,这些回路将缓慢衰减成重力波,从而产生由NANOGrav检测到的信号。

  埃利斯和莱维基说:“我们证明宇宙弦非常适合NANOGrav信号,比可能的超质量黑洞二进制信号的替代源稍好。” “此外,我们证明了我们的假设将很容易在未来的重力波观测站(如LISA)中进行检验。”

  “我们的研究基于许多小组的多年工作,这些小组使对宇宙弦产生的引力波信号的精确计算成为可能,”埃利斯和莱维基告诉Phys.org。“一旦从NANOGrav合作中获悉了有希望的新数据,我们便立即采取行动,以检查宇宙弦网络对解释这些数据的候选者有多好。”

  Ellis和Lewicki的论文指出,宇宙的膨胀历史也被编码在信号中。这是因为它们描述的宇宙弦网络将在整个宇宙历史上发出信号,并且宇宙膨胀中的所有特征都将在信号频谱上留下匹配的烙印,然后可以由未来的探测器探测到。

  埃利斯和莱维基说:“由于需要解释NANOGrav数据的信号强度,这将使宇宙的历史比以前想象的要早得多,因此有必要进行进一步的研究。” “我们目前正在努力开发AION和AEDGE,这是新提出的实验,它们将来可能探测到与NANOGrav或LISA不同的宇宙历史部分,并有可能测试我们对NANOGrav数据的解释。”

  NANOGrav信号是宇宙弦的第一个证据

  与Ellis和Lewicki的工作同时,Max-Planck-InstitutfürKernphysik(MPIK)和CERN的研究人员还试图从理论上证明宇宙弦产生的引力波是对检测到的脉冲星定时信号的良好动机和完全可行的解释由NANOGrav。他们的论文发表在《物理评论快报》上,以先前在引力波天文学领域的许多研究为基础。

  该论文的作者之一CERN的Kai Schmitz对Phys.org表示:“自2015年LIGO突破性地探测到引力波以来,引力波天文学领域一直在以惊人的速度发展。” 。“到目前为止,所有观测到的信号都是由天体事件引起的,例如二元黑洞的合并。这些事件被称为'瞬态',只会在重力波探测器中产生短时信号。引力波的下一个重大发展因此,天文学将成为对引力波的随机“背景”的检测,引力波不断存在,从空间的各个方向到达我们。”

  探测“背景”引力信号可能与更广泛的天文学和宇宙学现象有关,从二元合并到早期宇宙中发生的事件不等。值得注意的是,这种SGWB信号也可以是宇宙微波背景(CMB)信号的重力波等效物,它本质上是电磁辐射和微波频率下大爆炸的余辉。

  施米茨说:“作为粒子物理学家,我们对SGWB的原始贡献特别感兴趣,它有望对大量有关早期宇宙动力学的信息进行编码,从而对最高能量的粒子物理学进行编码。” “原始引力波的可能来源可能是宇宙膨胀,早期宇宙的真空结构中的相变和宇宙弦。在我们先前的项目中,我们已经探索了所有这三种可能性。”

  Schmitz和他的MPIK同事Simone Blasi和Vedran Brdar在最近的研究中假设,NANOGrav收集的脉冲星定时数据可能是宇宙弦的第一个证据。理论上,宇宙弦是极高能量下的相变的残余,可能接近大统一的能量尺度(即,自然界中所有亚原子力在一个共同的力下统一的能量)。

  “在这种情况下,产生宇宙弦的相变不太可能在引力波本身上产生可观察到的信号,要么是因为它根本不会产生任何可察觉的信号,要么是因为该信号位于无法观察到的高频率处,” Schmitz说。“然而,宇宙弦是相变的残余,有机会在引力波中产生一个大信号,如果被发现,它可以告诉我们在宇宙存在的最初瞬间控制着宇宙的对称性和作用力。”

  过去,物理学家提出了许多理论模型,这些模型推测了什么类型的新物理学可能会在早期宇宙中产生宇宙弦网络。Schmitz,Blasi和Brdar在过去的一些研究中,特别关注宇宙线可能与中微子质量的起源以及物质与反物质之间的宇宙不对称有关的观点。

  施密茨说:“引力波,宇宙弦和所谓的跷跷板机制之间的这种联系,是对中微子质量产生的最深入研究,在我们和其他研究小组的众多研究中都得到了探讨。” “这种类型的宇宙弦称为'宇宙BL弦',因为它们是由宇宙相变导致的,该相变导致违反BL(B减去L)对称性;其中BL代表重子(B)和轻子(L)数的差。BL对称性在跷跷板机制中起着重要作用。只有在早期宇宙中这种对称性的“破坏”为中微子可以通过跷跷板机制获得质量的宇宙物理状态铺平了道路。”

  施密茨和他的同事已经在2020年发表的论文中对宇宙BL弦可能产生的引力波进行了理论分析。在之前的工作中,他们专门研究了较高频率下的重力波频谱,探索了从跷跷板机制的角度探查相关参数空间特殊角的可能性。

  施密茨说:“当我们第一次听到有关NANOGrav的新结果时,我们已经做好充分的准备,可以将我们对宇宙弦引起的引力波信号的预测与NANOGrav数据中的信号进行比较。” “因此,我们立即开始从纳赫频率范围内的宇宙弦计算引力波频谱。与我们在2020年4月进行的分析不同,我们不再专注于宇宙BL弦,而是从更一般的意义上考虑了宇宙弦,对宇宙弦不了解高能量时其起源的细节。”

  Schmitz,Blasi和Brdar在他们最近的研究中希望表明,NANOGrav观测到的信号可以反映宇宙弦产生的引力波。此外,他们尝试在宇宙字符串参数空间中绘制出整个可行区域,以使该区域适合数据。

  施密茨说:“目前,保持谨慎是很重要的,因为尚不清楚NANOGrav是否真的检测到了引力波背景。” “为此,首先有必要在各个脉冲星的定时残差之间检测特定的相关模式。该模式可以描述为显示成对的脉冲星之间的相关关系的图表,该图表是将天空中两个脉冲星分开的角度的函数;此图是著名的Hellings-Downs曲线。”

  为了确认NANOGrav检测到的信号来自重力波,物理学家首先需要证明其符合Hellings-Downs曲线。尽管数据似乎与这种解释相当吻合,但研究人员尚未收集到数据中出现的Helling-Downs模式的充分证据。但是,正在进行的和将来的研究最终可以确定NANOGrav脉冲星定时信号的有效性,并以更高的精度测量其某些特性。测量NANOGrav信号的属性(例如,信号是否随频率上升/下降以及(如果是)频率上升/下降的速度)可以帮助确定其可能的信号源。

  施密茨说:“我们只能说,目前,来自宇宙弦的引力波是对该信号的完全可行的解释。” “宇宙弦会产生正确的信号幅度A;它们会产生与该参数上的NANOGrav边界完全一致的光谱指数伽玛;并且预测的伽玛值甚至略微好些(但只有一点点)。与数据相符,而不是超大质量黑洞二进制文件预测的gamma = 13/3值。”

  总体而言,由Schmitz,Blasi和Brdar进行的研究从理论上证明了宇宙弦可能是NANOGrav信号的可行解释。此外,研究人员表明,宇宙弦解释适用于他们在论文中重点关注的两个宇宙弦参数:宇宙弦张力Gmu和宇宙弦环大小α。

  施密茨解释说:“这使宇宙弦的解释变得灵活,并为宇宙弦的可能起源开辟了许多可能性。” “具有较小张力的大回路可以解释信号,具有较大张力的较小的回路可以解释信号,等等。”

  除了从理论上证明NANOGrav信号可以反映宇宙弦外,研究人员还表明,未来在更高频率下进行的引力波实验将探究较大的可行参数空间。这一发现表明,来自宇宙弦的引力波可能是多频引力波天文学的理想基准。

  “与NANOGrav信号的许多其他解释不同,我们预测宇宙弦也会产生一个信号,该信号将在天基和下一代地面实验中观察到,” Schmitz说。“我们的解释的这一方面突出了这些测量在低频和高频下的互补性。在高频下进行积极的探测将特别使人们能够重建早期宇宙的膨胀历史。”

  表征宇宙弦张力或每单位长度能量的参数Gmu可以转换为据推测在早期宇宙中形成宇宙弦的能量规模的估计值。Schmitz和他的同事在分析中发现的Gmu值指向的能量范围为10 14 GeV到10 16 GeV。

  Schmitz解释说:“这些是在统一的高阶统一理论(GUT)中也遇到的典型值,这些理论描述了高能量下亚原子力的统一。”

  “因此,我们的结果与大统一的思想以及在早期宇宙中打破某些对称性的想法是一致的,这导致了宇宙弦网络的建立。”

  虽然这组研究人员进行的理论分析非常有见地,但必须注意,由宇宙弦产生的引力波信号模型与某些理论不确定性有关。例如,在大型计算机模拟中研究宇宙弦动力学的两种最广泛使用的方法,即“ Nambu-Goto弦”和“ Abelian Higgs弦”方法,并不总能得出相同的结果。

  Schmitz补充说:“在我们的工作中,我们使用了Nambu-Goto弦的模拟。” “从长远来看,解决这两种方法之间的差异将很有趣,但这是一项非常具有挑战性的任务。与此同时,我们因此计划采取较小的步骤,并逐步改善Nambu-Goto的描述。宇宙弦。”

  在Nambu-Goto近似中,宇宙弦或多或少是无特征的,因为它们被描述为一维物体,每单位长度携带一定量的能量。

  在实际场景中,此表示可能实际上未反映宇宙弦的属性。

  施密茨说:“宇宙弦实际上可能会带有电流,除了发射引力波等外,它们还可能通过发射基本粒子而损失能量。” “因此,在接下来的研究中,我们计划逐步说明这些改进,并研究这些更复杂的方面如何在引力波谱中体现出来。与此同时,我们不认为这些改进会颠覆我们的宇宙-string的NANOGrav信号的解释“。

  NANOGrav数据可作为原始黑洞的指示

  一些研究人员还提出了针对NANOGrav数据的解释,这些解释无法在宇宙弦的背景下查看信号。例如,日内瓦大学的一个研究小组建议,这样的SGWB信号也可以通过宇宙扩展产生的扰动形成原始黑洞来产生。

  安东尼奥说:“我们提供了一种对共谱信号的可能解释,它是由早期宇宙产生的引力波与原始黑洞的诞生有关的,原始黑洞是在宇宙演化的早期时期形成的黑洞。”进行这项研究的三位研究人员Riotto,Valerio De Luca和Gabriele Franciolini通过电子邮件告诉Phys.org。“质量距小行星典型质量不远的原始黑洞可能构成了宇宙中暗物质的全部,它们的形成过程留下了解释纳诺格拉夫数据的引力波的随机背景。”

  根据Riotto,De Luca和Franciolini的说法,宇宙中所有暗物质都是由原始黑洞构成的,并且它们的形成应该留下类似于NANOBGrav探测到的SGWB信号的事实似乎无关紧要,但是他们可以以有趣的方式连接。例如,如果原始的黑洞组成了宇宙中整个暗物质,那么就不必提出推测性的解释来描述或解释暗物质的存在,因为它实际上是由“普通”物质组成的。 ,这是物理学家已经熟悉的。

  研究人员解释说:“实际上,如果暗物质是由原始的黑洞构成的,那么就不需要引用推测性的解释来解释暗物质:原始的黑洞实际上是由我们所知道的相同的普通物质构成的。” 。“我们的研究为与NANOGrav合作探测到的信号提供了一种经济的解释,并与暗物质探索有着精妙的联系,可以通过未来的引力波实验(如空间干涉仪LISA)进一步对其进行研究。”

  De Luca,Franciolini和Riotto预测将由原始黑洞产生的引力波背景信号很快就会在其他频率范围内(例如,在毫赫兹频率附近)被探测到。因此,在他们的下一个研究中,研究人员计划通过分析其他频率的新引力波数据来寻找在早期宇宙中产生的原始黑洞的存在的证据。

  研究人员说:“特别是,我们希望对将来的实验中将探测到的重力波的数量做出预测,例如LISA或地下探测器欧洲爱因斯坦望远镜将探测到的重力波。”

  在不久的将来,NANOGrav合作将尝试确认其检测到的信号的有效性。同时,全世界的理论物理学家仍在研究许多有趣的理论,这些理论可以解释该信号的性质。这些团队在Max-Planck-InstitutfürKernphysik,欧洲核子研究中心,伦敦国王学院,华沙大学和日内瓦大学发表的论文提供了特别值得注意的解释,这些解释可能会在以后的研究中得到证实或反驳。

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