[论文解读] Stochastic gravitational wave background: birth from string-wall death

Shuailiang Ge|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 126被引用 7

一句话总结

本文提出，脉冲星时标阵列（PTA）在纳赫兹频段探测到的随机引力波背景（SGWB）可能源自暴胀后重新进入视界的轴子弦墙网络的最终坍缩。在暴胀期间形成、暴胀后重新进入视界的网络中，其坍缩成为主导引力波源，产生可解释PTA信号的谱，其可探测性取决于模型参数，未来干涉实验可能探测到该信号。

ABSTRACT

We study a new source of stochastic gravitational wave background (SGWB) from the final collapse of a network of topological defects. Typically, the final collapse is considered negligible for generating gravitational waves (GWs) due to its subdominance compared with the network's long-term evolution in the scaling regime. However, in some cases, a network can be driven outside of horizon by inflation and later re-enter horizon. Then, the network's final collapse after re-entering horizon becomes the dominant GW source and therefore cannot be neglected. We demonstrate this phenomenon in the context of $N_{ m DW}=1$ string-wall networks which naturally arise in axion models, although the framework can be generalized to other types of topological networks. The final collapse of walls bounded by strings releases GWs. Our calculation of the corresponding GW spectrum suggests it could be related to the first few bins of the nano-Hertz SGWB signal possibly detected by various Pulsar Timing Array (PTA) collaborations. However, it is important to note that such GW spectrum falls within a relatively narrow frequency range, which may not completely account for the PTA signal that spans more than one order of magnitude in frequency. Furthermore, with different parameter choices, the resultant GWs generated in this mechanism could be probed by various GW interferometry experiments.

研究动机与目标

• 研究轴子弦墙网络最终坍缩产生的引力波辐射，该过程此前被忽视，而长期标度行为的辐射更受关注。
• 探讨在暴胀期间形成、暴胀后重新进入视界的网络中，该坍缩如何成为主导引力波源的条件。
• 评估由此产生的引力波谱是否可解释脉冲星时标阵列观测到的纳赫兹随机引力波背景。
• 评估不同参数选择下，此类引力波被未来干涉实验探测的可能性。
• 探讨宇宙学影响，包括轴子衰变为暗辐射，以及缓解哈勃张力的潜力。

提出的方法

• 该研究建模了 $N_{\rm DW}=1$ 轴子框架，其中在暴胀期间电弱对称性自发破缺后形成轴子弦和域壁，导致网络在暴胀后重新进入视界。
• 基于能量释放和由弦束缚的墙的动力学，使用数量级估算方法计算了弦墙网络最终坍缩期间产生的引力波谱。
• 分析将网络坍缩视为唯一引力波源，当暴胀抑制后视界重新进入导致标度行为缺失时。
• 推导了引力波能量密度谱 $\Omega_{\rm GW}(f)$ 作为频率的函数，显示在 $T_{\rm en} \sim 10\ \text{MeV}$ 左右的重新进入温度下，其在纳赫兹频段出现峰值。
• 该模型纳入了大爆炸核合成（BBN）的约束，并要求轴子衰变为标准模型粒子或暗辐射，以避免过度产生。
• 通过改变轴子衰变常数 $f_a$、墙张力 $\sigma_w$ 和衰变宽度 $\Gamma_{a \to \gamma'\gamma'}$ 等参数，评估了未来干涉仪的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀后重新进入视界的弦墙网络最终坍缩，是否能产生在纳赫兹频段可探测的随机引力波背景？
• RQ2 在何种条件下，弦墙网络的坍缩会成为主导引力波源，超过标度行为期间的辐射？
• RQ3 此类坍缩产生的引力波谱是否可解释多个脉冲星时标阵列合作组报告的纳赫兹SGWB信号？
• RQ4 哪些参数空间可使引力波信号被未来干涉型引力波探测器探测到？
• RQ5 在此框架中，轴子衰变为暗辐射是否能同时解释PTA信号并缓解哈勃张力？

主要发现

• 在暴胀后重新进入视界的弦墙网络最终坍缩，可产生峰值位于纳赫兹频段的随机引力波背景，与NANOGrav、EPTA、PPTA和CPTA观测到的信号一致。
• 当重新进入温度为 $T_{\rm en} \sim 10\ \text{MeV}$ 时，该坍缩产生的引力波谱可解释观测到的PTA纳赫兹SGWB，使其成为其他来源的可行替代方案。
• 该模型预测，通过选择不同的 $f_a$ 和 $\sigma_w$，由此产生的引力波信号可能被未来干涉实验（如LISA、BBO或DECIGO）探测到。
• 在BBN约束下，轴子衰变为暗辐射是可行的，并可能同时解释PTA信号并缓解哈勃张力，尤其在衰变延迟时更为显著。
• 引力波谱基于数量级估算推导，其定性特征具有鲁棒性，但精确的定量预测仍需更详细的数值模拟。
• 该机制可推广至 $N_{\rm DW}=1$ 以外的轴子，可能为在不同频段产生SGWB开辟新的参数空间。