作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 宇宙弦环发射引力波的艺术表现
荣誉:丹尼尔·多明戈斯，来自欧洲核子研究中心的教育、交流和拓展部
北美纳米赫兹引力波观测站是一个引力波探测器，它使用脉冲星网络(I
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像时钟一样的星星)
2020年底，NANOGrav合作收集了45颗脉冲星计时数据波动的证据，这些数据可能与纳米赫兹频率的随机引力波背景(SGWB)信号兼容
这些引力波可能与超大质量黑洞的合并有关
然而，世界范围内的理论物理学家团队已经为NANOGrav观测到的引力波提供了不同的解释
一些团体认为它们可能是由被称为宇宙弦的超致密细丝产生的，而另一些团体则假设它们可能是在原始黑洞诞生时产生的
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人员约翰·埃利斯和马雷克·莱维基最近为新的纳米光栅数据提供了宇宙弦理论解释
他们表明，纳米光栅可能观察到的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，随着宇宙的膨胀，这个网络会进化，当弦碰撞时会产生闭环
这些环随后会慢慢衰减成引力波，从而产生纳米光栅探测到的信号
埃利斯和莱维基说:“我们发现宇宙弦非常适合纳米引力场信号，比超大质量黑洞双星的可能替代来源稍好。”
“此外，我们表明，我们的假设在未来的引力波观测站(如LISA)中可以直接测试
" “我们的研究是基于许多小组多年的工作，这些小组使得精确计算宇宙弦产生的引力波信号成为可能，”埃利斯和莱维基告诉《物理》
（同organic）有机
“当我们从NANOGrav合作中得知有希望的新数据时，我们立即采取行动，检查宇宙字符串网络作为解释数据的候选对象有多好
" 埃利斯和莱维基的论文指出，宇宙的膨胀历史也编码在信号中
这是因为他们描述的宇宙弦网络会在整个宇宙历史中发出信号，宇宙膨胀的所有特征都会在信号的光谱上留下匹配的印记，然后可以被未来的探测器探测到
埃利斯和莱维基说:“由于解释纳米光栅数据所需的信号强度，这将使宇宙的历史可以追溯到比以前想象的要早得多的时期，值得进一步研究。”
“我们目前正致力于AION和美国地球科学研究院，这是新提出的实验，在未来可能探索宇宙历史的不同部分，而不是纳米光栅或LISA，并有可能测试我们对纳米光栅数据的解释
" NANOGrav信号是宇宙弦的第一个证据 与埃利斯和列维基的工作并行的是，MPIK的马克斯·普朗克物理研究所和欧洲粒子物理研究所的研究人员也试图从理论上证明，来自宇宙弦的引力波是对NANOGrav探测到的脉冲星计时信号的一个动机良好且完全可行的解释
他们的论文发表在《物理评论快报》上，建立在引力波天文学领域的许多先前研究的基础上
“自2015年LIGO对引力波进行突破性探测以来，引力波天文学领域继续以令人印象深刻的速度取得进展，”该论文的作者之一、欧洲核子研究中心的凯·施密茨告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“到目前为止，所有观测到的信号都是由天体物理事件引起的，比如双星黑洞的合并
这些事件被称为“瞬态”，只会在引力波探测器中产生短暂的信号
因此，引力波天文学的下一个重要步骤将是探测引力波的随机“背景”，这是一种持续存在的信号，从空间的各个方向到达我们这里
" “背景”引力信号的探测可能与更广泛的天体物理和宇宙现象有关，从双星合并到发生在早期宇宙的事件
值得注意的是，这种SGWB信号也可能是宇宙微波背景信号的引力波等价物，宇宙微波背景信号本质上是大爆炸在电磁辐射和微波频率下的余辉
“作为粒子物理学家，我们对SGWB的原始贡献特别感兴趣，这些贡献有望编码出早期宇宙动力学的大量信息，从而得到最高能量的粒子物理，”施密特说
“原始引力波的可能来源可能是宇宙膨胀、早期宇宙真空结构中的相变和宇宙弦
在我们之前的项目中，我们已经探索了所有这三种可能性
" 在他们最近的研究中，施密茨和他在MPIK的同事西蒙·布拉希和维德兰·布尔达尔假设由纳米光栅收集的脉冲星计时数据可能是宇宙弦的第一个证据
宇宙弦理论上被认为是极高能量下相变的残余，可能接近大统一的能量尺度
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自然中所有亚原子力被预测统一为一个共同力的能量)
“在这种情况下，产生宇宙弦的相变不太可能在引力波本身中产生可观测的信号，要么是因为它根本不产生任何可观测的信号，要么是因为信号位于高而不可观测的频率上，”施密特说
“然而，宇宙弦，即相变的残余，有机会在引力波中产生一个大信号，如果被探测到，它可以告诉我们宇宙存在的最初时刻支配宇宙的对称性和力
" 过去，物理学家已经提出了许多理论模型，推测在早期宇宙中什么类型的新物理可能会产生宇宙弦网络
在他们过去的一些研究中，施密特、布拉希和布尔达尔特别关注宇宙弦可能与中微子质量的起源以及物质和反物质之间的宇宙不对称性有关的观点
“引力波、宇宙弦和所谓的跷跷板机制之间的这种联系，是中微子质量产生最受研究的实现，我们和其他团队在许多研究中都进行了探索，”施密特说
“这种类型的宇宙弦被称为‘宇宙B-L弦’，因为它们是宇宙相变的结果，导致B-L (B减L)对称性的破坏；其中B-L代表重子数和轻子数之差
B-L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“打破”,才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
" 在2020年发表的一篇论文中，施密茨和他的同事已经从理论上解释了可能来自宇宙B-L弦的引力波
在之前的工作中，他们特别关注更高频率的引力波频谱，探索从跷跷板机制的角度探测相关参数空间特殊角落的可能性
“当我们第一次听说新的纳米引力场结果时，我们已经做好了充分的准备，将我们对宇宙弦感应引力波信号的预测与纳米引力场数据中的信号进行比较，”施密特说
“因此，我们立即开始从纳米赫兹频率范围的宇宙弦计算引力波光谱
与我们在2020年4月的分析不同，我们不再关注宇宙B-L弦，而是从更一般的意义上考虑宇宙弦，对它们在极高能量下的起源细节保持不可知论
" 在他们最近的研究中，施密茨、布拉希和布尔达尔想证明纳米光栅观察到的信号可以反映宇宙弦产生的引力波
此外，他们试图在宇宙弦参数空间中绘制出整个可行的区域，这样就可以拟合数据
“目前，保持谨慎很重要，因为现在还不清楚纳米光栅是否真的探测到了引力波背景，”施密特说
“为此，首先有必要在单个脉冲星的时间残差中检测出特定的相关模式
这种模式可以描述为一个图表，显示了脉冲星对之间的相关性，这种相关性是天空中两颗脉冲星之间夹角的函数；这张图就是著名的海林斯-唐斯曲线
" NANOGrav监测我们银河系附近的脉冲星阵列，以寻找毫微赫兹频率的引力波
信用:NANOGrav
为了证实NANOGrav探测到的信号来自引力波，物理学家首先需要证明它符合海林斯-唐斯曲线
虽然数据似乎与这一解释相当一致，但研究人员尚未收集到数据中出现的地狱模式的足够证据
然而，正在进行的和未来的研究可以最终确定NANOGrav脉冲星计时信号的有效性，并以更高的精度测量其某些特性
测量纳米光栅信号的特性(例如
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它是否作为频率的函数上升/下降，如果是，上升/下降多快)可以帮助确定它的可能来源
“我们所能说的是，目前，来自宇宙弦的引力波是对该信号的完美可行的解释，”施密特说
“宇宙弦导致信号的正确振幅A；它们产生的光谱指数γ与该参数的纳米光栅界限完全一致；预测的伽马值甚至比超大质量黑洞二进制预测的伽马= 13/3的值更符合数据
" 总的来说，由施密茨、布拉希和布尔达尔进行的研究从理论上证明了宇宙弦可能是纳米引力场信号的一种可行的解释
此外，研究人员表明，宇宙弦解释适用于他们在论文中关注的两个大范围的宇宙弦参数:宇宙弦张力Gmu和宇宙弦环大小α
“这使得宇宙弦的解释变得灵活，并为宇宙弦的可能起源打开了许多可能性，”施密特解释道
“张力小的大回环可以解释信号，张力稍大的小回环可以解释信号，等等
" 除了从理论上证明NANOGrav信号可以反映宇宙弦之外，研究人员还表明，未来更高频率的引力波实验将探索一个大的可行参数空间
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
“不同于对NANOGrav信号的许多其他解释，我们预测宇宙弦也将导致在天基和下一代地基实验中观察到的信号，”施密特说
“我们解释的这一方面突出了这些测量在低频和高频时的互补性
高频的积极探测将特别允许人们重建早期宇宙的膨胀历史
" 表征宇宙弦张力或单位长度能量的参数Gmu，可以转化为对宇宙弦在早期宇宙中形成的能量尺度的估计
施密特和他的同事在分析中发现的Gmu值指向1014到1016 GeV的能量范围
“这些是人们在大统一理论中也会遇到的典型值，大统一理论描述了在非常高的能量下亚原子力的统一，”施密特解释说
“因此，我们的结果与大统一的思想以及早期宇宙中某些对称性的打破是一致的，这些对称性导致了宇宙弦网络的产生
" 虽然这组研究人员进行的理论分析非常有见地，但重要的是要注意到，宇宙弦产生的引力波信号模型与一些理论不确定性有关
例如，在大规模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“南部后藤弦”和“阿贝尔希格斯弦”方法，并不总是导致相同的结果
“在我们的工作中，我们利用了南部后藤字符串的模拟，”施密特补充道
“从长远来看，解决这两种方法之间的差异将是令人感兴趣的，然而，这是一项非常具有挑战性的任务
与此同时，我们因此计划以更小的步骤继续进行，并连续改进宇宙字符串的南步-后藤描述
" 在南步-后藤近似中，宇宙弦或多或少是无特征的，因为它们被描述为单位长度携带一定能量的一维物体
这种表示可能实际上没有反映真实场景中宇宙字符串的属性
“宇宙弦实际上可能携带电流，它们除了发射引力波之外，还可能通过发射基本粒子失去能量，等等
”施密特说
“因此，在我们接下来的研究中，我们计划一步一步地解释这些改进，并研究这些更复杂的方面如何在引力波光谱中表现出来
同时，我们不相信这些改进会推翻我们对纳米光栅信号的宇宙弦解释
" NANOGrav数据是原始黑洞的标志 一些研究人员还对NANOGrav数据提出了解释，这些数据没有在宇宙弦的背景下观察信号
例如，日内瓦大学的一个小组提出，这种SGWB信号也可能是由宇宙膨胀时产生的扰动形成的原始黑洞产生的
开展这项研究的三名研究人员安东尼奥·里奥特托、瓦列里奥·德·卢卡和加布里埃尔·弗朗索里尼告诉《物理》杂志说:“我们对普通光谱信号提供了一种可能的解释，这种信号是由宇宙早期产生的引力波诱发的，与原始黑洞的诞生有关，原始黑洞是在宇宙进化的早期形成的。”
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“质量与小行星的典型质量相差不远的原始黑洞可能构成宇宙中全部暗物质，它们的形成过程留下了一个随机的引力波背景，解释了NanoGrav数据
" 根据里奥特托、德·卢卡和弗朗索利尼的观点，宇宙中所有的暗物质都是由原始黑洞组成的，它们的形成应该会留下一个类似于纳克拉夫所探测到的SGWB符号，这一观点可能看起来是不相关的，但它们可能以有趣的方式联系在一起
例如，如果原始黑洞构成了宇宙中的全部暗物质，那么就没有必要提出推测性的解释来描述或解释暗物质的存在，因为它实际上是由物理学家已经熟悉的“普通”物质组成的
“事实上，如果暗物质是由原始黑洞组成的，人们就不需要用一些推测性的解释来解释暗物质了:事实上，原始黑洞是由我们所知的同一种普通物质组成的，”研究人员解释道
“我们的研究为NANOGrav合作探测到的信号提供了一个经济的解释，它与暗物质探索有着优雅的联系，可以借助未来的引力波实验(如LISA，一种空间干涉仪)进行进一步研究
" 德·卢卡、弗朗西斯科利尼和里奥特预测的引力波背景信号将由原始黑洞产生，这种信号很快就可以在其他频率范围(例如
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频率约为毫赫兹)
因此，在接下来的研究中，研究人员计划通过分析其他频率的新引力波数据，寻找早期宇宙中产生的原始黑洞存在的证据
“特别是，我们希望对未来实验中探测到的引力波数量做出预测，比如LISA或欧洲爱因斯坦望远镜(一种地下探测器)将探测到的引力波数量，”研究人员说
在不久的将来，NANOGrav合作将试图确认它所探测到的信号的有效性
与此同时，全世界的理论物理学家仍在研究许多有趣的理论来解释这种信号的本质
这些团队在马克斯·普朗克核心物理研究所、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，这些解释可能被未来的研究证实或反驳
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