[论文解读] NANOGrav signal and LIGO-Virgo Primordial Black Holes from Higgs inflation

Zhu Yi, Zong‐Hong Zhu|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

本文提出，NANOGrav的低频引力波信号与LIGO-Virgo探测到的恒星级原初黑洞均源自具有非标准动能项的Higgs场在Higgs inflation期间的演化。该模型产生的标量诱导引力波可被空间引力波望远镜探测到，从而在单一暴胀框架内统一解释这两种天体物理信号。

ABSTRACT

We show that the NANOGrav signal can come from the Higgs inflation with a noncanonical kinetic term in terms of the scalar induced gravitational waves. The scalar induced gravitational waves generated in our model are also detectable by space based gravitational wave observatories. Primordial black holes with stellar masses that can explain LIGO-Virgo events are also produced. Therefore, the NANOGrav signal and the BHs in LIGO-Virgo events may both originate from the Higgs field.

研究动机与目标

• 探讨NANOGrav低频引力波信号是否可由具有非标准动能项的Higgs暴胀模型解释。
• 研究该模型中产生的标量诱导引力波及其被空间引力波望远镜探测的可能性。
• 确定同一暴胀场景是否能产生质量与LIGO-Virgo观测结果一致的原初黑洞。
• 在基于Higgs的单一暴胀框架内，统一解释两种不同的天体物理信号——NANOGrav与LIGO-Virgo。

提出的方法

• 在Higgs暴胀模型中引入非标准动能项，以改变暴胀期间标量场的动力学行为。
• 通过修改后的作用量，计算暴胀阶段产生的标量诱导引力波的功率谱。
• 计算由非标准动能项引起的非高斯涨落所导致的原初黑洞生成率。
• 利用所得的引力波与黑洞谱，与NANOGrav和LIGO-Virgo的观测数据进行对比。
• 应用来自CMB与BBN的约束，确保与现有宇宙学观测的一致性。
• 评估未来空间引力波探测器对所预测引力波的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NANOGrav信号是否可由具有非标准动能项的Higgs暴胀产生的标量诱导引力波解释？
• RQ2 该模型中的标量诱导引力波是否可被LISA等空间望远镜探测到？
• RQ3 Higgs场在暴胀期间的非高斯涨落是否会导致形成质量与LIGO-Virgo观测结果一致的原初黑洞？
• RQ4 是否存在一种单一的暴胀机制，能同时解释NANOGrav信号与LIGO-Virgo黑洞事件？
• RQ5 该模型的观测特征有哪些，可将其与其它解释区分开来？

主要发现

• NANOGrav低频引力波信号可由具有非标准动能项的Higgs暴胀期间产生的标量诱导引力波解释。
• 该模型产生的标量诱导引力波处于未来空间引力波望远镜（如LISA）的灵敏度频带内。
• 该场景中产生了质量为恒星量级的原初黑洞，其质量范围与LIGO-Virgo并合事件的观测结果一致。
• 该模型通过相同的Higgs场动力学，为NANOGrav信号与LIGO-Virgo黑洞探测提供了统一的起源。
• 非标准动能项使得产生非高斯涨落成为可能，从而同时生成可探测的引力波与大质量原初黑洞。