从黑暗的一面窃窃私语：关于暗物质的引力波能揭示什么

PRISMA +卓越集群的科学家分析了引力波天文台NANOGrav的数据。

NANOGrav协作组织最近捕捉到了非常低频的引力波的最初迹象。Pedro Schwaller教授和Wolfram Ratzinger教授分析了数据，尤其是考虑了这种可能性是否可能指向标准模型之外的新物理学。在SciPost Physics杂志上发表的一篇文章中，他们报道了该信号既与早期宇宙中的相变一致，又与极轻的轴突样粒子（ALP）的存在相一致。后者被认为是有希望的暗物质候选者。

引力波打开了进入早期宇宙的窗口。尽管无处不在的宇宙微波背景对我们宇宙的前300,000年没有任何线索，但它们提供了有关“大爆炸”期间发生的情况的一些信息。美因茨约翰内斯·古腾堡大学PRISMA +卓越集群的理论物理学教授Pedro Schwaller解释说：“对于粒子物理学家来说，正是这个非常早期的宇宙令人兴奋。”“这是存在夸克和胶子等基本粒子，然后结合形成原子核的基础材料的时候。”

NANOGrav协作组织首次检测到的引力波的特殊之处在于它们的频率非常低，为10-8赫兹，相当于每年大约一次振荡。由于它们相应的大波长，为了检测它们，任何检测器也必须同样大。由于这种探测器在地球上是不可能的，NANOGrav的天文学家使用遥远的脉冲星及其光信号作为巨大的探测器。

Wolfram Ratzinger概述了他们工作背后的动机：“尽管到目前为止，数据仅为我们提供了低频引力波存在的第一提示，但与我们合作仍然很令人兴奋。这是因为这样的波可能是由早期宇宙中发生的各种过程产生的。现在，我们可以使用我们已经必须确定的数据，其中哪些要考虑，哪些根本不适合这些数据。”

结果，总部位于美因茨的科学家决定特别仔细研究可能引起引力波观测的两种情况：早期宇宙的相变和极轻的轴突样粒子（ALP）的暗物质场。诸如此类的相变是由于大爆炸后原始汤料的温度下降而导致的，并导致大的湍流-但是，像暗物质一样，它们不在标准模型中。

根据可用的数据，Pedro Schwaller和Wolfram Ratzinger相对谨慎地解释了他们的分析结果：“另一方面，也许是早期阶段过渡的可能性更大。”另一方面，两位物理学家认为，他们仅根据有限的数据就能确定某些可能性的事实证明了他们的方法的潜力。“我们的工作是第一个但重要的发展，它使我们充满信心，有了更精确的数据，我们可以得出关于引力波将我们从早期宇宙发送给我们的信息的可靠结论。”

“此外，”佩德罗·施沃勒（Pedro Schwaller）总结说，“我们已经可以开始确定方案的某些特征并对其施加约束，在我们的情况下，就是相变的强度和轴的质量。”

参考：“从黑暗的一面窃窃私语：《利用NANOGrav数据面对光的新物理》，沃尔夫拉姆·拉辛格和佩德罗·施沃勒着，2021年2月23日，SciPost Physics.DOI：
10.21468 / SciPostPhys.10.2.047