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理論物理研究所在早期宇宙的引力波研究中取得重要進展
2019-05-23  【 】【打印】【關閉

      

  2015914日,美國激光幹涉引力波天文台(LIGO)第一次在雙黑洞並合的過程中探測到引力波信號這標志著人類探索宇宙奧秘打開了一個非常有用的新窗口。由于地面震動幹擾,地面引力波探測器只能探測高頻引力波10赫茲以上)信號。下一代的空間引力波探測器如歐空局主導的激光幹涉空間天線(LISA)項目、我國提出的太極計劃或者天琴計劃等可以探測毫赫茲到一赫茲波段的引力波。這一頻段的引力波蘊含著豐富的科學內容。這些空間引力波探測器的科學目標包括超大質量黑洞並合、極端質量比黑洞對、隨機引力波背景等。其中,誕生于早期宇宙的隨機引力波是保存了早期宇宙信息的化石,對理解早期宇宙的演化具有重要的科學意義。

 

  圖1 原初黑洞的觀測限制。橫軸爲原初黑洞質量(以太陽質量爲單位),縱軸爲原初黑洞的能量密度(以暗物質的能量密度爲單位)。紫色爲霍金輻射導致黑洞蒸發的限制。天藍色三角形爲白矮星俘獲原初黑洞的限制。藍色爲微引力透鏡的限制,從左到右分別爲Subaru HSCEROSOGLE。黑灰色梯形爲LIGO第二期運行時得到的雙黑洞引力波限制。右方天藍色爲矮星系俘獲原初黑洞的限制。紅色爲微波背景輻射的限制。由于波動光學效應和有限尺度效應,1017克到1022克的質量區間的原初黑洞不能産生微引力透鏡,因此無法通過光學手段觀測。原初黑洞有可能在這個質量區間提供全部暗物質。對該窗口的唯一可能的觀測限制來自于未來的空間引力波實驗。 

 

  當前的天文學和宇宙學觀測告訴我們宇宙中有27%的物質組分是不發光的暗物質”。其起源和性質是現代宇宙學和理論物理的一大挑戰。一種可能的解釋是極早期宇宙小尺度上的原初密度擾動很大,重新進入視界時形成了原初黑洞,而暗物質正是由這些原初黑洞組成的。質量小于1016克的原初黑洞由于霍金輻射已經蒸發殆盡,無法作爲暗物質候選者。遠大于太陽質量(1033克)的原初黑洞則會影響宇宙微波背景輻射,不能大量存在。1022克到太陽質量的原初黑洞在銀河系的暗物質暈裏運動並擋住遙遠恒星時,可以産生引力透鏡效應。人們可以通過尋找這種引力透鏡來限制原初黑洞的能量密度。然而,質量小于1022克的原初黑洞半徑爲納米量級,遠小于可見光的波長。這麽小的物體無法用上述的引力透鏡效應觀測到。參見圖1 

  引力波的發現打開了一扇觀測這種原初黑洞的新窗口因爲導致原初黑洞形成的原初密度擾動會産生引力波。在宇宙早期暴脹階段中,雖然標量擾動和張量擾動在線性階是獨立的,但它們在非線性階是耦合的。這種非線性耦合會使得標量擾動誘導出引力波。以這種機制産生的引力波稱爲誘導引力波。如果原初黑洞大量存在,則原初標量擾動必定很大,誘導引力波也會很大,有可能被未來的引力波實驗觀測到如前所述,原初黑洞作爲暗物質候選的唯一可能的質量區間是1017克到1022克,其对应的誘導引力波频段是10-3赫茲到0.1赫茲,恰好在下一代空間引力波天文LISA/太極/天琴的探測範圍之內。

  圖2 原初密度擾動δρ/ρ的概率密度分布函数的示意图。δρ/ρ>δc的宇宙即可形成原初黑洞。相對于高斯分布來說,非高斯分布的大于δc的尾巴部分面積更大,可形成更多原初黑洞。在非高斯漲落情况下,同样数目的原初黑洞只需要更窄(即功率譜更小)的原初密度擾動即可产生。     

    

  最近,博利彩票网蔡榮根研究員、日本東京大學國際高等研究所卡弗裏数物连携宇宙研究机构的皮石博士、佐佐木节教授研究了非高斯分布的小尺度原初密度擾動,并讨论了非高斯分布对原初黑洞形成以及对誘導引力波产生的影响。他们发现,非高斯的原初密度擾動會增强誘導引力波,同时也增大原初黑洞的形成率。如果假定暗物質全部由原初黑洞组成,即固定原初黑洞的能量密度为现在的暗物質密度,则增加非高斯性意味着必须壓低原初密度擾動分布的功率譜参见圖2。这两种效应的综合效果會使得在固定原初黑洞的能量密度的条件下,增加原初密度擾動的非高斯性壓低誘導引力波的能量密度。有趣的是,他们发现持续增大非高斯性时,誘導引力波能量密度存在一个下界,而该下界在暗物質全部由原初黑洞組成的頻段內(10-3赫茲到0.1赫兹)大于下一代空間引力波天文台可探測精度(見圖3)。這意味著如果暗物質全部由原初黑洞組成,人們一定能在LISA/太極/天琴中观测到其对应的誘導引力波信号。这结果不依赖于原初密度擾動的分布。反之,如果没有在LISA/太極/天琴中觀測到這樣的引力波信號,則原初黑洞不可能作爲暗物質的唯一候選者。該研究工作最近發表于Phys. Rev. Lett. 122, 201101 (2019)。相關研究成果對空間引力探測理解暗物質性質和早期宇宙演化具有重要科學意義。  

 
 

  圖3 暗物質全部由原初黑洞组成的情况下,原初標量擾動产生的誘導引力波。原初黑洞的质量取定为1022克,对应誘導引力波频率0.003赫兹。橙色虚曲线为高斯型的标量扰动诱导的引力波。红、蓝、紫曲线为不同的非高斯性的情况。苔绿色为极端非高斯(χ^2分布)的标量扰动诱导的引力波。可以看到固定原初黑洞的能量密度的情况下,增大非高斯會壓低誘導引力波。但其能量密度的下界在下一代空间引力波探測器LISA/太極/天琴的敏感度曲线以上。  

  該研究工作受到基金委重大項目引力波相關的物理問題研究,中國科學院先導項目和前沿科學重點項目等的支持。佐佐木節教授受到國家外專局高端外國專家計劃的資助爲中科院理論物理研究所的客座研究員。   

  原文鏈接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.201101 

    
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