[论文解读] Universal Gravitational Wave Signatures of Cosmological Solitons

Kaloian D. Lozanov, Misao Sasaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 8

一句话总结

论文表明宇宙学孤子普遍诱发一类普适的引力波背景，通过孤子等相扰，扩展引力波信号至更低频段，以 axion-like particle oscillons 为具体例子。

ABSTRACT

Cosmological solitonic objects such as monopoles, cosmic strings, domain walls, oscillons and Q-balls often appear in theories of the early Universe. We demonstrate that such scenarios are generically accompanied by a novel production source of gravitational waves stemming from soliton isocurvature perturbations. The resulting induced universal gravitational waves (UGWs) reside at lower frequencies compared to gravitational waves typically associated with soliton formation. We show that UGWs from axion-like particle (ALP) oscillons, originating from ALP misalignment, extend the frequency range of produced gravitational waves by more than two orders of magnitude regardless of the ALP mass and decay constant and can be observable in upcoming gravitational wave experiments. UGWs open a new route for gravitational wave signatures in broad classes of cosmological theories.

研究动机与目标

• 将宇宙学孤子（单极、弦、同凝墙、振荡子、Q-球）作为早期宇宙物理源进行动机建立和表征。
• 证明孤子等相扰引起的二阶引力波背景（UGWs）具有更宽的、低频谱。
• 显示 UGWs 在各种孤子情形下是普遍特征，并可在即将到来的引力波实验中观测到。
• 以 axion-like particle 振荡子为具体、具有表观意义的例子来说明框架。

提出的方法

• 用标量和张量扰动来建模受扰的 FLRW 时空度量，并假设以辐射主导背景，孤子物质为次要项。
• 推导由孤子等相扰源引起的曲率扰动的线性演化方程，使用 S = delta rho_phi / rho_phi − (3/4) delta rho_r / rho_r，并在亚视界尺度上求解 Phi 和 S。
• 使用二阶摄动理论计算由曲率扰动诱导的引力波，采用高斯等相扰功率谱 P_S(k) 和有限初始时刻 x_i = k tau_i。
• 用标准的红移/自由度因子和辐射内容将当前宇宙的 Omega_GW,0(k) 从 Omega_GW,c(k) 推导出来。

实验结果

研究问题

• RQ1 孤子等相扰是否在所有孤子情形下普遍诱导二阶引力波背景？
• RQ2 相较于孤子形成产生的引力波，诱导的引力波谱在较低频段的扩展程度如何？
• RQ3 对于 axion-like particle 的振荡子情景及其在未来引力波实验中的可观测性有何含义？
• RQ4 P_S(k) 的初始条件与紫外截断如何影响所预测的 UGWs？
• RQ5 UGWs 是否可作为一个广义的信号探针，用于探测不同宇宙学模型中的早期宇宙孤子形成？

主要发现

• 孤子诱导的 UGWs 可来自孤子等相扰，且扩展到远低于由孤子形成产生的引力波的频段。
• 在 ALP 振荡子情景中，UGWs 将引力波谱在向低频方向上扩展超过两个数量级，与 ALP 的质量和衰变常数无关。
• 引力波信号强度取决于振荡子的能量分数和初始等相扰振幅，该振幅受 CMB 对等相扰的约束。
• 该形式化框架考虑了亚视界产生的等相扰，并包含有限初始时间 x_i，为跨越不同孤子类型的 UGWs 提供了普遍机制。
• UGWs 提供了一个新的观测渠道，用于探测包含孤子形成的广义宇宙理论的广义类别，而不仅限于传统的高频引力波信号。
• 对于 ALP，该框架将 H_inf、F、m 等参数与未来实验中可观测的引力波特征联系起来。