科学家在早期宇宙的引力波研究中取得进展

Question

如题所述

Answer 1

自从2015年人类第一次观测到引力波，引力波物理已然成为目前最为火热的研究方向之一。作为了解宇宙的新窗口，引力波正逐步为我们展现一幅千百年来人们都不曾见过的宇宙画卷，其中的物理现象为我们将来的物理学发展指明了一些方向。
引力波与新物理 传统的物理实验研究往往受到我们赖以生存的环境的很大限制，例如对撞机实验和天体物理电磁信号的观测。就目前而言，粒子对撞机是探测极小尺度新物理最有效的手段，而对撞能标是衡量对撞机探测性能的重要指标——越高的能标能够帮助我们探测越小的尺度，了解更基本的物理规律。但是在现有的生产条件下，对撞机的能标提升已经愈发艰难。虽然在未来二十年，粒子对撞机的能标有希望达到100TeV附近，但是在目前最高的14TeV对撞能标的粒子物理实验中，我们还未发现确切的新物理信号。另外，传统的天文观测几乎都基于电磁波信号，在过去近百年的技术革命下，电磁波天文学已经取得了丰硕的成果。但是时至今日，电磁波段观测深度的限制和前景的干扰（ “前景”指视线方向与被观测源相近，但距观测者较近的天体）仍是我们了解更大的宇宙空间和更久远的宇宙 历史 的坚固障碍。
图1：对撞机的尺度与能标示意图
过去一百多年以来，激光干涉技术的发展大大提高了我们对于极其微小的长度变化的测量能力。这一技术的跨越式发展使得我们探测引力波成为了可能。目前，全球的主要经济体都已启动或正在布置自己的引力波观测项目，引力波天文学已经成为天文学和物理学中新的沃土，将会带给我们对于宇宙和物理学全新的理解。
相对于电磁波而言，引力波观测的优势主要有两方面：一是引力波信号一般很难被前景干扰，所以背景本底的信号可以被探测到；再者，由于引力波在传播过程中与普通物质的相互作用非常微弱，所以诞生在宇宙早期的引力波信号能够一直较为纯净地保留至现在，成为一种宇宙的“ 历史 遗迹”等待着科学家的观测。 引力波观测与传统的对撞机实验和电磁波段的天文观测的结合，将会极大的拓展我们对宇宙和基本物理规律的认知。

爱因斯坦的引力理论诞生一百多年以来，人们对于黑洞的研究取得了很多重大的突破，但是时至今日我们对于这类宇宙中最为极端的天体仍然知之甚少。大家相信，完整地描述黑洞的物理需要引力理论和量子理论相结合，但是目前这两个在各自领域取得了极大辉煌的理论在结合时遇到了各种各样的困难。黑洞视界的附近作为引力理论和量子理论的冲突现场，或许能够带我们一窥量子引力理论的真容，极大拓展我们对基础理论的认知。
另外，宇宙极早期的各种物理过程会诱发时空的随机扰动，产生随机引力波背景，若目前的引力波观测能够发现一些随机引力波背景的特征，那么也将暗示着宇宙早期有些不寻常的过程发生。最后这一点便是最近一项研究的出发点，该研究由中国科学技术大学的蔡一夫教授和波兰雅盖隆大学(Jagiellonian University)的林春山教授共同领导，博士后王博博士和博士生鄢盛丰参与，相关论文已于日前发表在国际著名期刊Physical Review Letters上。下面将对这项工作进行简要介绍[1]。
荡秋千的启发
在平时玩荡秋千时，大家应该已经有所发现：在没有人推动的情况下，想要秋千越荡越高，那么我们需要规律地前后摇摆身体，用自身重心的摆动来驱动秋千的振荡，这便是一种特殊的共振现象，叫做参数共振。
图2：荡秋千示意图
参数共振现象在物理学的各个领域有着广泛的应用。在宇宙学领域，大家相信在宇宙演化的一个时期，参数共振现象很有可能起着决定性的作用。在暴胀学说中，由于暴胀过程极具“稀释”效应，这一过程结束时导致了整个宇宙内一片死寂，仅剩下驱动暴胀后标量场遗留的能量或者是一些其它轻的标量场。这时候需要参数共振将驱动暴涨的场的能量转化为各种后期宇宙演化所需要的物质成分，将整个宇宙重新加热。这些大量产生的物质成分，不仅包括光子、电子、质子等粒子物理模型所能描述并被观测得到的粒子，还包括了原初时期就产生的暗物质和暗能量。这一过程被称为宇宙的预加热，接下来宇宙进入到标准热 历史 演化之中。

SSR机制最早用于研究原初黑洞的形成和预言其丰度。原初黑洞是一种特殊的黑洞，它们是宇宙在极早期由于局域空间曲率的不均匀性导致了原初物质密度扰动坍塌而形成的黑洞，它们的形成机制有别于通常情况下恒星坍缩形成的黑洞。早在上世纪六七十年代，苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）和英国物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）分别指出了这种极早期宇宙中黑洞形成的理论可能性[5][6]，并在后来的宇宙学研究中被广泛探讨。由于原初黑洞的形成和其自身特点，它们成为了一种重要的冷暗物质候选者，并且也可能是重要的引力透镜天体和引力波源的候选者。SSR机制所预言的原初黑洞主要分布在一些特殊的质量附近，且分布密度很高，可以与暗物质能量密度相比拟(即绝大部分暗物质为原初黑洞)。
在此基础上，蔡一夫教授团队发现，由于SSR机制极大地放大了原初标量扰动的振幅，在二阶扰动层面，通过标量与张量非线性的耦合，SSR还可以分别在暴胀期间和暴胀后的辐射为主时期诱导产生随机引力波背景，并且可能在将来被引力波探测器探测到[7]。此外，SSR的模型实现与应用也是一个值得深入研究的内容，目前有在暴涨子-曲率子图像下的应用[8]，DBI暴涨下SSR的实现[9]，以及在特殊的双场模型中有类似的共振放大应用[4]。
引力波的SSR
在5年多以来对引力波的观测中，最令科学家们激动的引力波事件莫过于观测到了双中子星并合的引力波(GW170817)，并且同时观测到了对应的多波段的电磁信号。这样一个标准汽笛事件的发现，可以同时让我们知道引力波源的红移和距离信息，为宇宙膨胀速度的测量开辟了一个新窗口。更重要的是，通过比对接收到电磁信号和引力波信号的时间，我们还可以对引力波传播速度进行限制。目前通过这一事件，我们认为引力波传播速度和光速之间的差异在10-15量级的精度以内。
但是，这个速度限制是来自比较近邻的宇宙的观测数据(一般红移小于1)，而目前的观测证据对于远处或者说更早期的宇宙中引力波的传播速度，并没有很好的限制，而在这种时期，如果引力波传播速度有较大的非平凡特性（即偏离了爱因斯坦广义相对论预测的光速），那么可能预示着早期宇宙中有超越标准理论的新物理在发生作用。
在超出爱因斯坦广义相对论的修改引力理论中，有一些理论诸如Horndeski理论、4维Einstein-Gauss-Bonnet理论，它们的标量自由度和张量自由度有一定程度上的耦合，如果在早期宇宙中这些理论的效应相对明显，那么将对早期宇宙中的引力波传播速度产生影响。其中一种可能的情况便是，在极早期的预加热阶段，由于那时标量自由度具有周期性振荡行为，标量场通过与张量场之间的耦合使得张量自由度的声速大小具有周期振荡行为(即引力波的传播速度大小有振荡行为)，并且这个振荡的特征会随着宇宙膨胀而被抹平，那么引力波传播速度在相对近邻的宇宙中会回归到光速。
由于引力波传播速度在极早期具有的振荡行为，引力波便也会产生参数共振现象，这便是引力波的SSR。它使得引力波振幅得到指数级放大，在极短时间内放大4-5个量级，然后共振会很快结束并使引力波背景回归到正常的演化中。这类SSR都属于参数共振中的窄共振类型，发生共振的频段是在特征频率附近很窄的一个频段内，以及特征频率整数倍的频率处，但是一般只有特征频率处占主导。此时，背景引力波的振幅在特征频率附近会产生一个峰值，这样一个峰值特征会随着宇宙演化保留至今，从而被现有的引力波探测器和未来的引力波探测实验观测到。 这个预言的意义在于，如果我们能在未来探测到这个背景引力波谱特征，那么可以推断在极早期宇宙中引力波的传播速度会有明显偏离光速的特点，也就是说那时的引力理论很可能不再由爱因斯坦广义相对论描述。这是存在新物理的证据。
图3：引力波的声速共振机制示意图
另外，在这项研究中，研究人员还发现由于引力波在线性理论下被剧烈放大，还有可能引发相对明显的高阶非线性效应。共振放大和非线性效应若被同时观测到，那么将大大增加该机制存在的可能性。这些非线性效应还有可能解释目前被NANOGrav实验观测到的疑似背景引力波信号，而该研究还在进行当中。
于粒子物理而言，这一项工作也有重要的意义：引力波共振放大发生的能标在TeV能标之上，基本上高于现有的粒子对撞机实验能标。也就是说，该现象若被发现也可能预示着早期存在一些超越粒子物理标准模型的新物理，例如通过修改引力理论中标量场与希格斯场的耦合与一些散射，使得标量场影响引力子的行为，从而改变引力波传播速度。这些预言都等待着未来观测水平的提高来加以佐证。

参考文献： [1] Y.-F. Cai, C. Lin, B. Wang, S.-F. Yan, “Sound speed resonance of the stochastic gravitational wave background”, Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 071303 . [2] Y.-F. Cai, X. Tong, D.-G. Wang, S.-F. Yan, “Primordial Black Holes from Sound Speed Resonance during Inflation”, Phys. Rev. Lett. 121, no.8, 081306 (2018). [3] B. Carr, F. Kuhnel, “Primordial Black Holes as Dark Matter: Recent Developments”, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 70, 355-394 (2020). [4] Z. Zhou, J. Jiang, Y.-F. Cai, M. Sasaki, S. Pi, “Primordial black holes and gravitational waves from resonant amplification during inflation”, Phys. Rev. D 102, no.10, 103527 (2020). [5] Ya. B. Zel’dovich, I. D. Novikov, Sov. Astron. 10 (1967), 602. [6] S. Hawking, “Gravitationally collapsed objects of very low mass”, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 152, 75 (1971). [7] Y.-F. Cai, C. Chen, X. Tong, D.-G. Wang, S.-F. Yan, “When Primordial Black Holes from Sound Speed Resonance Meet a Stochastic Background of Gravitational Waves”, Phys. Rev. D 100, no.4, 043518 (2019). [8] C. Chen, Y.-F. Cai, “Primordial black holes from sound speed resonance in the inflaton-curvaton mixed scenario”, JCAP 10, 068 (2019). [9] C. Chen, X.-H. Ma, Y.-F. Cai, “Dirac-Born-Infeld realization of sound speed resonance mechanism for primordial black holes”, Phys. Rev. D 102, no.6, 063526 (2020).

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Answer 2

LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。 张承民 中国科学院国家天文台研究员 1月11日，据国外媒体报道，北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）宣称，其发现了一个可能来源于低频引力波的信号特征，如果被证实，这将是引力波天文学的又一大里程碑。 NANOGrav发现的信号来自遥远的脉冲星。这些脉冲星是快速旋转的致密天体，它的两极发出的光束犹如宇宙中的灯塔一般掠过地球。研究人员利用射电望远镜收集了可能由引力波产生的信号数据，相关研究结果发表于《天体物理学快报》。 找到脉冲星信号时间差 “数据中出现的信号令人难以置信却又兴奋。”上述研究首席研究员约瑟夫·西蒙说。 2015年以来，科学家已利用激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和欧洲室女座引力波天文台（Virgo）多次探测到引力波信号。疑似低频引力波信号的现身，为何依然令人如此激动？ “LIGO探测到的引力波，频率在几十赫兹到几百赫兹，属于高频引力波。而NANOGrav寻找的引力波信号，频率为纳赫兹，波长跨越几个光年的尺度，属于低频引力波。”张承民表示，从频率来看，两者相差十多个量级。 张承民介绍，探测纳赫兹引力波信号对于研究早期宇宙 历史 、验证大爆炸理论、获得超大质量黑洞碰撞并合信息、研究星系合并以及进一步研究宇宙各种引力波类型的性质等具有重要意义。 引力波被称为时空的涟漪。天文学家不能通过望远镜直接“看”到它，但可以通过测量其穿过时空时造成的影响——物体精确位置的微小变化，来寻找它。 NANOGrav选择的研究对象是脉冲星信号。脉冲星是一种我们能探测到的、可靠的宇宙计时器。这些小而稠密的致密天体快速旋转，以精确的时间间隔发出射电波脉冲。 而引力波则会对这种规律性造成干扰，因为引力波产生的时空涟漪会使时空产生微小的拉伸和收缩。这些时空涟漪会导致脉冲星信号到达地球的实际时间与预期时间之间出现极小的偏差。 NANOGrav就是通过研究散布在银河系中许多毫秒脉冲星发出的规律信号的时间特征，即所谓的脉冲星计时阵列，来探测由于引力波拉伸和收缩时空而引起的时间微小变化，进而获得引力波存在的线索。 被选中的星可谓百里挑一 据介绍，NANOGrav通过研究47颗旋转最稳定的毫秒脉冲星创建了脉冲星计时阵列。 为何是这47颗脉冲星？ 因为，并非所有的脉冲星都能用来探测这种低频引力波信号，只有旋转最稳定、被研究时间较长的脉冲星才能实现探测需求。这些脉冲星每秒旋转数百次，具有难以置信的稳定性，如此才能保证探测引力波所需的精度。 “目前，天文学家已发现3000多颗射电脉冲星。普通脉冲星的稳定性不够，但毫秒脉冲星的稳定性非常高，高到几亿年甚至几十亿年才会慢一秒，所以可以利用毫秒脉冲星进行高精度测量。”张承民解释道，目前发现的毫秒脉冲星数量在400颗左右，天文学家会进一步从中挑出非常稳定的脉冲星作为观测对象，这47颗毫秒脉冲星便来源于此。 NANOGrav表示，在其所研究的47颗脉冲星中，有45颗拥有至少3年的数据集用于分析。在此次研究中，研究人员在这些数据集中发现了一种低频噪声特征，这种特征在多个脉冲星上都是相同的。他们所发现的时间变化如此之小，以至于在研究任何单个脉冲星时，证据都不明显。但作为整体时，这些不明显的证据便意味着一个重要的信号特征。 “脉冲星的运动互相之间本来并没有相关性，但引力波穿过银河系会使它们的运动出现一种相关性或规律性。这项研究是希望把各种噪声排除，把这种规律运动的信息寻找出来，从而找出低频引力波信号。”张承民说。 得到确切结论还需几年 NANOGrav声称，新发现的信号特征已排除一些引力波以外的来源，比如来自太阳系物质的干扰或者数据收集中的某些错误等。 为了验证这一疑似低频引力波信号，研究人员必须在不同脉冲星数据之间找到一种独一无二的相关性——两颗脉冲星数据的关联程度和它们相对地球的天空方位有关。但由于信号太弱，目前还没有发现这种相关性的显著证据，增强信号则需要NANOGrav扩展它的数据集，以包括数量更多、研究时间更长的脉冲星，这就需要增加望远镜阵列的灵敏度。此外，通过将NANOGrav的数据与其他脉冲星计时阵列实验的数据汇集在一起，开展国际脉冲星计时阵列（IPTA）合作计划可能会有助于揭示这种特殊的相关性。 目前，NANOGrav正在开发新的技术，以确保检测到的信号并非来自其他来源。 他们正在建立一种计算机模型，帮助检测信号是否是由引力波以外的效应引起，以避免错误判断。 “用脉冲星计时阵列探测引力波需要耐心。我们正在分析十几年的数据，但得到确切的结论可能还需要几年的时间。”NANOGrav现任主席斯科特·兰森说。 需要更多大型望远镜的加入 这个信号是否真的来源于低频引力波？张承民认为：“目前的研究结果还处于初步阶段，暂时不能盖棺定论。” “这项研究实际上是分析了40多颗毫秒脉冲星的观测数据，是数据处理的结果。计时数据处理方法、毫秒脉冲星的选择对研究结果会产生巨大的影响。要证实确实是低频引力波信号，还需要进一步验证。”张承民说。 张承民介绍，除了北美，目前澳大利亚、欧洲都有望远镜对毫秒脉冲星进行监测。通过全球其他射电望远镜的加入，为研究团队提供更多优质数据，未来是有可能对这项发现进行进一步验证的。 不过也有个不好的消息， 在整个研究过程中，NANOGrav利用了美国绿岸射电望远镜和阿雷西博望远镜的观测数据。而305米口径的阿雷西博望远镜最近却垮塌了。 NANOGrav表示，研究团队将寻求其他数据来源，并加强与国际同行的合作。但失去阿雷西博望远镜，还是会对NANOGrav在未来描述这种背景噪声并探测引力波信号造成影响。 “阿雷西博望远镜的精度比较高，它的垮塌使新的数据积累受到影响，加大了验证的难度。未来，研究团队需要联合其他望远镜进行观测，对这项发现进行进一步检验。”张承民说。

Answer 3

2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）第一次在双黑洞并合的过程中探测到引力波信号，这标志着人类 探索 宇宙奥秘打开了一个非常有用的新窗口。由于地面震动干扰，地面引力波探测器只能探测高频引力波（10赫兹以上）信号。下一代的空间引力波探测器如欧空局主导的激光干涉空间天线（LISA）项目、我国提出的太极计划或者天琴计划等可以探测毫赫兹到一赫兹波段的引力波。这一频段的引力波蕴含着丰富的科学内容。这些空间引力波探测器的科学目标包括超大质量黑洞并合、极端质量比黑洞对、随机引力波背景等。其中，诞生于早期宇宙的随机引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，对理解早期宇宙的演化具有重要的科学意义。

当前的天文学和宇宙学观测告诉我们宇宙中有27%的物质组分是不发光的“暗物质”。其起源和性质是现代宇宙学和理论物理的一大挑战。一种可能的解释是极早期宇宙小尺度上的原初密度扰动很大，重新进入视界时形成了原初黑洞，而暗物质正是由这些原初黑洞组成的。质量小于10 16 克的原初黑洞由于霍金辐射已经蒸发殆尽，无法作为暗物质候选者。远大于太阳质量（10 33 克）的原初黑洞则会影响宇宙微波背景辐射，不能大量存在。10 22 克到太阳质量的原初黑洞在银河系的暗物质晕里运动并挡住遥远恒星时，可以产生引力透镜效应。人们可以通过寻找这种引力透镜来限制原初黑洞的能量密度。然而，质量小于10 22 克的原初黑洞的半径为纳米量级，远小于可见光的波长。这么小的物体无法用上述的引力透镜效应观测到（见图1）。

引力波的发现打开了一扇观测这种原初黑洞的新窗口，因为导致原初黑洞形成的原初密度扰动也会产生引力波。在宇宙早期暴胀阶段中，虽然标量扰动和张量扰动在线性阶是独立的，但它们在非线性阶是耦合的。这种非线性耦合会使得标量扰动诱导出引力波。以这种机制产生的引力波称为诱导引力波。如果原初黑洞大量存在，则原初标量扰动必定很大，其诱导引力波也会很大，有可能被未来的引力波实验观测到。如前所述，原初黑洞作为暗物质候选的唯一可能的质量区间是10 17 克到10 22 克，其对应的诱导引力波频段是10 -3 赫兹到0.1赫兹，恰好在下一代空间引力波天文台LISA/太极/天琴的探测范围之内。

最近，中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根、日本东京大学国际高等研究所卡弗里数物连携宇宙研究机构博士皮石、教授佐佐木节研究了非高斯分布的小尺度原初密度扰动，并讨论了非高斯分布对原初黑洞形成以及对诱导引力波产生的影响。他们发现，非高斯的原初密度扰动会增强诱导引力波，同时也增大原初黑洞的形成率。如果假定暗物质全部由原初黑洞组成，即固定原初黑洞的能量密度为现在的暗物质密度，则增加非高斯性意味着必须压低原初密度扰动分布的功率谱。参见图2。这两种效应的综合效果会使得在固定原初黑洞的能量密度的条件下，增加原初密度扰动的非高斯性会压低诱导引力波的能量密度。有趣的是，他们发现持续增大非高斯性时，诱导引力波能量密度存在一个下界，而该下界在暗物质全部由原初黑洞组成的频段内（10 -3 赫兹到0.1赫兹）大于下一代空间引力波天文台的可探测精度（见图3）。这意味着如果暗物质全部由原初黑洞组成，人们一定能在LISA/太极/天琴中观测到其对应的诱导引力波信号。这结果不依赖于原初密度扰动的分布。反之，如果没有在LISA/太极/天琴中观测到这样的引力波信号，则原初黑洞不可能作为暗物质的唯一候选者。该研究工作最近发表于《物理评论快报》（ Phys. Rev. Lett. 122, 201101 (2019)）。相关研究成果对空间引力探测、理解暗物质性质和早期宇宙演化具有重要科学意义。