[论文解读] Flat Energy Spectrum of Primordial Gravitational Waves vs Peaks and the NANOGrav 2023 Observation

V. K. Oikonomou|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 5

一句话总结

本文提出，2023年NANOGrav的nHz频段随机引力波信号可由具有蓝谱倾斜原初引力波谱和异常再加热时期的宇宙学模型解释，可行机制包括$f(R)$引力、爱因斯坦-高斯-博内理论以及具有短慢滚轴子阶段的希格斯-轴子模型。再加热温度为$\mathcal{O}(400)$ GeV和蓝谱张量谱指数是与观测结果相容的关键因素。

ABSTRACT

In this work we present several characteristic examples of theories of gravity and particle physics scenarios that may yield an observable energy spectrum of stochastic primordial gravitational waves, compatible with the 2023 NANOGrav observations. The resulting theories yield a flat or a peak-like energy spectrum, and we further seek the conditions which if hold true, the energy spectrum can be compatible with the recent NANOGrav stochastic gravitational wave detection. As we show, in most cases a blue tilted spectrum combined with a relatively low reheating temperature is needed, the scale of which is determined by whether the radiation domination era is ordinary or it is an abnormal radiation domination era. One intriguing Higgs-axion model, which predicts short slow-roll eras for the axion field at the post-electroweak breaking epoch, which eventually change the total equation of state parameter at the reheating era, can explain the NANOGrav signal, if a blue tilted tensor spectral index inflationary era precedes the reheating era, and a reheating temperature of the order $\mathcal{O}(400)\,$GeV. This specific model produces an energy spectrum of primordial gravitational waves with a characteristic peak that is detectable from both the NANOGrav and future LISA experiment, but not from the future Einstein telescope.

研究动机与目标

• 识别能够解释2023年NANOGrav在nHz频段观测到的随机引力波背景的可行宇宙学模型。
• 确定原初引力波能量谱（平坦或峰状）与NANOGrav数据相容的条件。
• 研究再加热温度和张量谱指数在匹配观测信号谱斜率中的作用。
• 评估修正引力理论和轴子-希格斯相互作用是否能在NANOGrav及未来实验（如LISA）中产生可探测信号。
• 通过贝叶斯模型比较，评估NANOGrav信号的宇宙学起源相对于天体物理替代解释（如超大质量双黑洞）的统计优势。

提出的方法

• 分析通过几何诱导的异常再加热时期产生平坦或峰状原初引力波谱的$f(R)$引力模型。
• 评估预测正张量谱指数（导致蓝谱倾斜谱）的爱因斯坦-高斯-博内引力模型。
• 研究具有高阶非可重整化相互作用的希格斯-轴子模型，该模型在电弱对称性破缺后诱导轴子场的短暂慢滚阶段。
• 利用再加热期间的曲率扰动和状态方程演化计算原初引力波能量谱。
• 应用普朗克2018年数据约束和贝叶斯模型比较，评估所提模型的可行性。
• 比较NANOGrav、LISA和爱因斯坦望远镜预测的信号形状，以检验可探测性和可区分性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有异常再加热的修正引力理论（如$f(R)$引力）能否再现NANOGrav 2023年信号观测到的谱斜率？
• RQ2 为使原初引力波谱与NANOGrav观测结果匹配，所需的张量谱指数和再加热温度是多少？
• RQ3 具有瞬态慢滚轴子阶段的希格斯-轴子模型能否在引力波能量谱中产生可探测的峰？
• RQ4 在不同竞争模型下，NANOGrav、LISA和爱因斯坦望远镜预测的信号形状有何差异？
• RQ5 与天体物理解释（如超大质量双黑洞）相比，NANOGrav信号的宇宙学起源在统计上是否更占优势？

主要发现

• 在大多数模型中，蓝谱张量谱指数与约$\mathcal{O}(400)$ GeV的再加热温度相结合，是解释NANOGrav 2023年信号的必要条件。
• 通过几何诱导异常再加热的$f(R)$引力模型可产生与NANOGrav观测相容的平坦或峰状能量谱。
• 具有短慢滚轴子阶段的希格斯-轴子模型可在引力波谱中产生特征峰，该峰可被NANOGrav和LISA探测到，但无法被爱因斯坦望远镜探测到。
• 具有显著蓝谱倾斜张量谱和低再加热温度的爱因斯坦-高斯-博内模型也可解释该信号，尽管此类谱受到普朗克2018年数据的严格限制。
• 非局部版本的Starobinsky模型被识别为可行候选者，因其能产生大蓝谱倾斜谱指数，同时与宇宙学约束保持一致。
• 贝叶斯模型比较显示，宇宙学模型相对于天体物理模型的后验优势为10至100倍，支持该信号具有宇宙学起源。