[论文解读] Gravitational Waves and Light Cosmic Strings

Matthew R Depies|ArXiv.org|Aug 25, 2009

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 15被引用 3

一句话总结

本研究通过数值分析宇宙弦环的引力波信号，重点关注大环（α = 0.1）和低弦张力（Gμ）的情形，发现LISA可探测到Gμ ≈ 10⁻¹⁶的引力波信号，结合脉冲星计时测量结果，Gμ的上限为< 10⁻⁹，从而将相变能量尺度限制在Λₛ < 10⁻⁴.⁵mₚₗ，使GUT和弦理论尺度得以探测。

ABSTRACT

Gravitational wave signatures from cosmic strings are analyzed numerically. Cosmic string networks form during phase transistions in the early universe and these networks of long cosmic strings break into loops that radiate energy in the form of gravitational waves until they decay. The gravitational waves come in the form of harmonic modes from individual string loops, a "confusion noise" from galactic loops, and a stochastic background of gravitational waves from a network of loops. In this study string loops of larger size $α$ and lower string tensions $Gμ$ (where $μ$ is the mass per unit length of the string) are investigated than in previous studies. Several detectors are currently searching for gravitational waves and a space based satellite, the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), is in the final stages of pre-flight. The results for large loop sizes ($α=0.1$) put an upper limit of about $Gμ&lt;10^{-9}$ and indicate that gravitational waves from string loops down to $Gμ\approx 10^{-20}$ could be detectabe by LISA. The string tension is related to the energy scale of the phase transition and the Planck mass via $Gμ= Λ_s^2 / m_{pl}^2$, so the limits on $Gμ$ set the energy scale of any phase transition to $Λ_s &lt; 10^{-4.5} m_{pl}$. Our results indicate that loops may form a significant gravitational wave signal, even for string tensions too low to have larger cosmological effects.

研究动机与目标

• 通过分析以往未深入研究的大宇宙弦环（α = 0.1）和低弦张力（Gμ）来拓展先前的研究。
• 评估LISA灵敏度下，单个环和随机背景引力波信号的可探测性。
• 利用毫秒脉冲星计时对Gμ的限制，约束早期宇宙相变的能量尺度。
• 评估银河系内环作为混淆噪声源的作用，并评估其被LISA探测的可能性。

提出的方法

• 利用线性化引力和质量多极矩展开，对宇宙弦环的引力波辐射进行数值模拟。
• 通过TT规范和爱因斯坦方程的延迟解，计算特征应变和引力波辐射功率。
• 通过改变α（0.1和10⁻⁵）和Gμ，对环群进行建模，以评估信号强度和光谱形状。
• 将环的应变谱与LISA灵敏度曲线及白矮星引起的银河系混淆噪声进行整合。
• 应用毫秒脉冲星计时阵列对Gμ的限制，利用观测到的随机背景作为探测手段。
• 利用弗里德曼方程和宇宙膨胀模型，模拟环群和引力波信号随时间的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光干涉空间天线（LISA）对大宇宙弦环（α = 0.1）的引力波信号探测阈值是什么？
• RQ2 环的大小（α）和弦张力（Gμ）如何影响LISA频段内的引力波光谱和可探测性？
• RQ3 银河系内的宇宙弦环在多大程度上构成混淆噪声？它们是否可以被LISA单独分辨或探测？
• RQ4 从毫秒脉冲星计时测量中可推导出的Gμ上限是什么？这对相变能量尺度意味着什么？
• RQ5 宇宙弦网络产生的随机引力波背景与LISA灵敏度及银河系混淆噪声相比如何？

主要发现

• LISA可探测到弦张力低至Gμ ≈ 10⁻¹⁶的宇宙弦环引力波信号，扩展了以往的探测极限。
• 从毫秒脉冲星计时得到的弦张力上限为Gμ < 10⁻⁹，对应相变能量尺度Λₛ < 10⁻⁴.⁵mₚₗ（约等于大统一尺度）。
• 对于大环（α = 0.1），银河系内环的信号构成显著的混淆噪声源，但LISA仍可探测到Gμ ≈ 10⁻¹⁹的信号。
• 对于Gμ ≈ 10⁻¹⁸的宇宙弦网络随机引力波背景，LISA可实现探测，且大环尺寸下灵敏度更高。
• 宇宙弦探测的相变能量尺度范围从10¹⁴.⁵ GeV至10⁹.⁵ GeV，覆盖GUT、Peccei-Quinn、B-L对称性及膜宇宙学尺度。
• 宇宙弦信号独特的光谱形状使其可与其它天体物理背景区分开来，支持其作为基础物理独特探测工具的潜力。