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理论物理所在早期宇宙产生的引力波研究中取得重要进展
2018-01-23  【 】【打印】【关闭

  现代宇宙学的暴胀理论不仅解决了热大爆炸宇宙模型中存在的一些疑难,而且预言的原初密度扰动为宇宙大尺度结构的形成提供了原初种子,同时十分自然地解释了宇宙微波背景辐射的温度涨落。然而,什么驱动了宇宙早期的暴胀(或者说暴胀场的物理本质)仍然是一个目前理论物理学家和宇宙学家积极研究的课题。该问题也被美国《科学》杂志列为二十一世纪有待解决的125个基本科学问题之一。 此外,暴胀发生时的能标仍然不能被确定,目前宇宙微波背景辐射观测数据只能告诉我们暴胀发生能标的上限。

  最近,理论物理研究所博士研究生刘京,研究员郭宗宽,研究员蔡荣根与中国科学院大学短期千人教授萧文礼合作,他们研究了一类具有尖角势函数的暴胀模型。这样一类尖角势函数可以在超弦理论中的一些非微扰效应中出现。他们发现该模型产生的原初密度扰动和原初引力波与目前的宇宙微波背景辐射观测数据一致,在暴胀结束的宇宙重加热阶段能够产生具有双峰结构的随机引力波能谱。该能谱与一般的暴胀场产生的单峰能谱显著不同;该预言能够被将来的LIGO实验所检验。暴胀结束后暴胀场在尖角势函数的极小值点附近震荡,由于势函数的二阶导数是狄拉克函数,暴胀场的能谱在动量空间一些区域随时间剧烈增长,产生大量的能量聚集的震荡子结构(见下图,在二维切面上能量密度随时间的演化),暴胀场自身变得极不均匀。这种空间不均匀的结构导致了很强的随机引力波背景的产生。 

 

  利用格点计算方法他们数值模拟了具有这类尖角势暴胀场在宇宙重加热阶段产生的引力波能谱,能谱的振幅不依赖模型参数,而能谱的峰值频率依赖于暴胀发生时的能标。在一定的暴胀能标下,预言的双峰引力波能谱能够被将来的LIGO实验探测到(见下图)。 

  

  

  如果将来的LIGO实验探测到了该特征的随机引力波背景,人们不仅可以确定暴胀发生时的能标,而且为暴胀场的起源提供了可能的解释。该研究成果近日发表在Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 031301上。     

  该工作得到了国家自然科学基金项目、中科院战略先导科技专项(B)和前沿科学重点研究项目的支持。     

  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.031301 

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