[论文解读] Cosmic Superstrings Revisited in Light of NANOGrav 15-Year Data

John Ellis, Marek Lewicki+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

论文重新分析宇宙弦与宇宙超弦模型对NANOGrav 15年数据的拟合，发现Gμ≈10^-12–10^-11且互连概率p≈10^-3–10^-1能获得较好拟合，并在非标准早期宇宙膨胀情景下检验鲁棒性。

ABSTRACT

We analyze cosmic superstring models in light of NANOGrav 15-year pulsar timing data. A good fit is found for a string tension $G μ\sim 10^{-12} - 10^{-11}$ and a string intercommutation probability $p \sim 10^{-3} - 10^{-1}$. Extrapolation to higher frequencies assuming standard Big Bang cosmology is compatible at the 68\% CL with the current LIGO/Virgo/KAGRA upper limit on a stochastic gravitational wave background in the 10 to 100 Hz range. The superstring interpretation of the NANOGrav data would be robustly testable by future experiments even in modified cosmological scenarios.

研究动机与目标

• 评估宇宙弦或宇宙超弦是否能解释NANOGrav 15年引力波数据。
• 扩展先前模型以适应更新的谱形和更高频约束。
• 研究非标准早期宇宙膨胀（早期物质支配、膨胀稀释）对SGWB预测与可检测性的影响。
• 在标准与修改的宇宙学情形下，将宇宙弦预测与LVK O3上限及未来探测器在各频段的约束进行比较。）
• method 五项内容并列翻译如下：

提出的方法

• 使用速度相关单标尺（VOS）框架，利用相关长度L和平均速度v̄对弦网络的GW谱进行建模。
• 计算来自大环的 GW 发射，初始尺度l_i = α_L L(t_i)，并通过Ω_GW^(k)(f)引入更高的弦模，q=4/3。
• 对环和模的贡献求和，以获得Ω_GW(f)，采用实际截断（模式数N=10^3，模扩展至k up to 10^12）。
• 在环中引入0.1的能量转移因子，以及环的位矢速度的f_r = √2的修正。
• 通过修改哈勃率来探讨非标准宇宙学，以模拟在BBN前结束的早期物质支配以及由膨胀/再加热引起的稀释情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可变互连概率p下，宇宙(超)弦是否能在不违反高频约束的情况下再现NANOGrav 15年SGWB信号？
• RQ2 非标准早期宇宙膨胀史（早期物质支配、膨胀稀释）如何修改SGWB光谱以及对LVK、ET、LISA及其他未来实验的探测性？
• RQ3 在考虑LVK限值和高频前景的前提下，标准与修改宇宙学中Gμ与p的哪些取值仍然可行？
• RQ4 宇宙弦是否对更高频段的GW探测器给出稳健预测，从而独立于 PTA 数据验证或否定该模型？

主要发现

• 宇宙超弦可以在Gμ≈10^-12–10^-11、p≈10^-3–10^-1时拟合NANOGrav 15年数据。
• 在标准宇宙学下，LVK O3数据排除了68%–99%置信区间的大部分区域，LVK设计灵敏度并不能完全排除NANOGrav拟合区域。
• 向10–100 Hz的外推显示在标准膨胀下与LVK上限在68% CL下兼容，而修改的宇宙学会使光谱发生偏移。
• 在BBN前结束的早期物质支配阶段可将 GW 信号推向规避某些LVK排除，但仍可被ET、AION-km、AEDGE与LISA测试。
• 膨胀稀释降低SGWB信号，并可能在PTA频段上改变光谱；更长的膨胀会降低低频探测性，但并不可能让未来所有实验对其完全无视。
• 总体而言，即使存在非标准早期宇宙膨胀，宇宙超弦仍可被广泛的未来GW探测器检验。