[论文解读] On detection of extra dimensions with gravitational waves from cosmic strings

Eimear O’Callaghan, Ghazal Geshnizjani+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文提出，在大额外维模型中的膜暴胀过程中产生的宇宙弦引力波，可能作为额外维存在的可探测信号。通过分析宇宙弦奇点和角点产生的随机引力波背景，该研究表明未来空间基探测器（如LISA）可探测到这些信号，从而为额外维和弦理论提供直接证据。

ABSTRACT

The notion that nature might have extra dimensions has been with us for some time, but only recently have we revisited it with a view to obtaining direct observational or experimental consequences. The idea of Large Extra Dimensions (LED’s), [1], has given new possibilities both for compactifying nature’s extra dimensions, as well as allowing a much richer gravitational phenomenology. In particular, brane inflation [2] uses ideas from string theory, with inflation driven by the motion of a brane on some stabilised internal manifold, [3]. A key side effect of brane inflation is the formation of cosmic strings, [4, 5] as a by product of brane annihilation (for reviews see [6]), and can have a wide range of physical parameters and properties. The observation of such cosmic strings would therefore provide direct evidence for string theory, as well as giving us valuable information on inflation and the early universe.

研究动机与目标

• 研究宇宙弦产生的引力波是否可为大额外维（LEDs）提供观测证据。
• 考察膜暴胀在膜湮灭过程中产生宇宙弦的作用。
• 评估这些引力波信号被未来空间基观测平台（如LISA）探测的可能性。
• 将宇宙弦的观测与弦理论及早期宇宙宇宙学的更广泛影响联系起来。

提出的方法

• 利用高维时空中的相对论场论，对宇宙弦奇点和角点的引力波辐射进行建模。
• 应用有效场论形式化，描述大额外维背景下宇宙弦的动力学。
• 计算大额外维模型中宇宙弦网络产生的随机引力波背景功率谱。
• 基于预期的应变灵敏度曲线，估算空间激光干涉仪（如LISA）的信噪比。
• 将预测的引力波振幅与当前及未来的观测限制进行比较，以评估可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大额外维模型中，宇宙弦产生的引力波能否被未来的空间基观测平台探测到？
• RQ2 宇宙弦奇点和角点产生的随机引力波背景的预期振幅和频率谱为何？
• RQ3 大额外维模型中宇宙弦的特性与标准四维引力中的有何不同？
• RQ4 此类信号的探测在多大程度上可约束额外维的尺度或膜暴胀机制？
• RQ5 何种观测特征可将大额外维诱导的宇宙弦信号与其他随机背景区分开来？

主要发现

• 在大额外维模型中，膜暴胀期间形成的宇宙弦会产生可被未来空间基激光干涉仪探测到的随机引力波背景。
• 宇宙弦奇点产生的信号足够强，可在低频 band 内被LISA探测到。
• 引力波背景的功率谱取决于额外维的数量和弦张力，为约束这些参数提供了途径。
• 此类信号的探测将为大额外维和膜暴胀场景提供间接证据。
• 本研究确立了大额外维模型中宇宙弦信号与其它随机背景不同，可通过光谱分析实现潜在区分。