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          理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展
          2020-06-23  【 】【打印】【關閉

            中國科學院理論物理研究所黃慶國研究員與他的兩名博士研究生(陳祖成和袁晨)在伴隨原初黑洞形成而產生的誘導引力波的理論研究和觀測數據分析方面取得了一系列重要的進展。特別是,他們首次完成了在北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)發布的脈沖星計時陣列11年的觀測數據中搜尋誘導引力波的信號,結果顯示缺乏顯著的統計學意義上的信號,從而得到目前國際上在大約千分之一到一倍太陽質量原初黑洞在暗物質中所占比例(豐度)的最嚴格限制。相關結果發表在Phys.Rev.Lett.。  

            宇宙學和天文學觀測表明宇宙中存在大量的暗物質,約占宇宙全部物質的85%。不同于其他約占15%的普通物質,暗物質的本質依然是當前基礎物理中最大的謎團之一。盡管弱相互作用大質量粒子(WIMP)被認為是暗物質的一個重要的候選者,但是大量的實驗觀測都沒有發現它們存在的證據。相反地,它們賴以存在的理論參數空間正在被迅速的壓縮。原初黑洞最早由霍金以及卡爾在上世紀七十年代初提出。原初黑洞產生于早期宇宙輻射為主時期大的密度漲落導致的引力塌縮。較大的原初黑洞的量子效應可以忽略不計,因而幾乎是不發光的,是暗物質的一個天然候選者。一個關鍵的科學問題是宇宙中的暗物質是否全部或部分由原初黑洞組成。

            物理上,大的密度漲落帶來宇宙物質密度分布的梯度,進而產生四極矩。同時在引力理論中,密度漲落必然隨時間演化,因而原初黑洞形成的過程中必然伴隨產生由密度擾動誘導的引力波。搜尋這些誘導引力波成為尋找原初黑洞的一個強有力的工具。鑒于愛因斯坦廣義相對論是一個非線性的理論,黃慶國研究員以及他的兩名學生首次計算了伴隨原初黑洞形成而產生的三階誘導引力波,發現此三階效應將未來的脈沖星計時陣列(包括IPTA、FAST以及SKA等)通過誘導引力波探測原初黑洞的質量范圍有效地擴展到LIGO探測的黑洞質量范圍。相關成果作為快訊(Rapid Communication)發表于Phys.Rev.D。此外,除了誘導引力波以外,其他一些天體物理過程也會輻射出引力波,并最終形成彌漫于整個宇宙的隨機引力波背景。如何區分誘導引力波和其他天體物理過程產生的引力波成為利用誘導引力波探測原初黑洞的一個關鍵問題。他們發現誘導引力波能量譜的譜指數具有一種特別的對數依賴性,并且這一特征可以有效地用于區分其他天體物理過程產生的隨機引力波背景。相關成果發表于Phys.Rev.D。最后,他們將這些理論結果應用到在NANOGrav 11年的實際觀測數據中搜尋伴隨原初黑洞形成而產生的誘導引力波。由于沒有發現具有統計顯示度的信號,他們得到目前國際上在大約千分之一到一倍太陽質量原初黑洞豐度(fpbh)的最嚴格限制。相較于其他的天文學觀測限制,他們的結果顯著地提升了幾個到十幾個數量級。

            

            文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.251101

           

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