噓……傾聽來自早期宇宙的“呢喃”

自2015年LIGO首次探測到由雙黑洞合併產生的引力波以來，科學家已觀測到約百例類似事件。引力波已成爲觀測宇宙的新窗口，極大地推動了對恆星演化、黑洞和中子星物理、早期宇宙等領域的理解。LIGO能夠直接探測的引力波信號有限，但來自遙遠宇宙的衆多事件可疊加成隨機引力波背景。這類信號揭示了星系演化規律、宇宙早期狀態，可能的新物理等。探測這類重要的引力波信號，有助於人們認識極早期宇宙和高能物理的自然規律。

近日，邊立功（重慶大學）、皮石（中國科學院理論物理研究所）、王少江（中國科學院理論物理研究所）在《中國科學：物理學 力學 天文學》合作發表了綜述文章《起源於早期宇宙的隨機引力波背景: 綜述及展望》，總結了隨機引力波背景研究的重要進展。

文章首先介紹了原初張量擾動產生的原初引力波。在宇宙早期的暴脹階段，量子漲落不僅出現在驅動暴脹的物質場中，也存在於時空的度規場中，後者的張量擾動部分最終演化成遍佈宇宙的原初引力波。它可通過宇宙微波背景輻射的B模偏振間接觀測，但目前的觀測仍未檢測到。暴脹結束後，引力波隨着宇宙膨脹而紅移，能譜在輻射主導時期基本不變，但在物質主導時期會衰減。結果是標準宇宙學模型下的原初引力波能譜很弱，難以在現有靈敏度下探測。研究人員提出了一些新的物理模型來增強高頻引力波信號，如原初藍譜、後暴脹時期的超相對論性物態等。這些機制可讓原初引力波的能量密度相對於背景流體在高頻段增強，有望在未來被探測到。

文章隨後介紹了原初曲率擾動誘導產生的次級引力波。暴脹產生的原初曲率擾動在宇宙早期輻射主導階段可通過非線性相互作用誘導出次級引力波。這類引力波的強度依賴於曲率擾動的功率譜。在小尺度上，若功率譜增強，不僅會顯著增強次級引力波，還可能通過引力坍縮形成原初黑洞。原初黑洞的質量和引力波的頻率存在對應關係，因此探測這類引力波可以幫助我們研究原初黑洞及其丰度。文中詳細綜述了原初黑洞形成的機制、閾值條件，以及丰度計算方法，並分析了幾種典型的非高斯性（如平方展開型、對數型等）對引力波能譜的影響。

文章接下來介紹了宇宙弦和疇壁產生的隨機引力波。宇宙弦是在相變過程中形成的一維拓撲缺陷，它們通過相互作用形成弦圈併發射引力波，這些引力波疊加形成隨機引力波背景。來自宇宙弦網絡的隨機引力波背景功率譜可以通過不同模型計算得出，文章介紹了BOS、LRS、VOS三種模型。疇壁是二維拓撲缺陷，通常伴隨軸子或類軸子粒子的產生而形成，並且可以輻射引力波。疇壁引力波的功率譜取決於疇壁張力和偏置勢，在特定條件下，可估算出引力波的峰值頻率和當前頻段下的功率譜。地面引力波干涉儀和脈衝星計時陣列實驗，在搜尋宇宙弦產生的引力波方面取得了重大進展，基於這些觀測數據，結合不同的宇宙弦模型，研究人員能夠對宇宙弦參數以及疇壁參數做出更精確的限制。

文章最後介紹了早期宇宙一階相變中產生的引力波。雖然標準模型沒有預言一階相變，但一些超越標準模型的新物理理論提出這種可能，並預言了相關的引力波背景。這些引力波有望通過未來的觀測手段探測到，從而驗證或限制新物理模型。一階相變通過真空泡壁碰撞、流體聲波運動、磁流體湍流三種劇烈過程產生引力波。數值模擬和解析模型表明：在多數情況下，聲波運動主導引力波信號；湍流貢獻較小；泡壁碰撞只在特定條件下佔優。最終的引力波能譜是這三種機制的疊加，其頻率範圍可被未來的空間引力波探測器或脈衝星計時陣列探測。

文章結尾展望道，未來地面引力波探測器LIGO-VIRGO-KAGRA、ET，空間引力波探測器LISA、太極、天琴、 BBO、DECIGO，脈衝星測時陣列NANOGrav、EPTA、PPTA、CPTA、MeerKATPTA、IPTA等將從百赫茲到納赫茲頻段，全面探測各頻段的隨機引力波信號。研究人員需要找出這些信號的譜形特徵和信號識別方法。