近日，我校博彩论坛 武雷教授课题组与合作者在早期宇宙相变引力波研究方面取得重要进展，相关成果以“Can Supercooled Phase Transitions Explain the Gravitational Wave Background Observed by Pulsar Timing Arrays?”为题，在国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》（《物理评论快报》）在线发表。

2015年9月14日，人类首次直接探测到了引力波信号。2017年度诺贝尔物理学奖授予了为发现引力波做出极大贡献的三位物理学家。引力波的发现打开了人类观测宇宙的一扇新窗户。纳赫兹引力波是引力波的一种，是宇宙中一种极低频扰动，由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。目前，最有希望探测到随机引力波背景的方法是脉冲星计时阵列（PTA）。脉冲星是一种高速旋转、高度稳定、强烈辐射电磁波的中子星。当脉冲星的辐射束扫过地球时，观测站就可以接收到它发出的脉冲信号。这些脉冲信号非常规律，可以作为天然的时钟来使用。

2023年6月29日，NANOGrav、PPTA、EPTA和CPTA等多个脉冲星计时阵列实验合作组宣布发现纳赫兹引力波信号。这一发现标志着人类首次获得了超低频引力波的重要证据，强烈表明了随机引力波背景（SGWB）的存在，引起了全球物理学家的广泛关注。纳赫兹引力波信号可能起源于早期宇宙中的非标准暴涨、宇宙学相变以及宇宙拓扑缺陷等，也可能来自于众多超大质量双黑洞合并过程中释放的引力波。这些低频引力波的探测有助于我们理解宇宙历史，并可能揭示新的物理现象。

图1:过冷相变解释纳赫兹引力波面临的困难

过冷相变被广泛认为是SGWB的可能来源，与超出标准模型的新物理密切相关。武雷教授课题组（Peter Athron、卢致廷、武雷、吴永成及硕士生徐忠秀）与合作者（西交利物浦大学Andrew Fowlie、莫纳什大学Lachlan Morris）研究了过冷相变作为解释纳赫兹频率信号的可能性。过冷相变发生在比通常电弱相变预期的更低的温度。由于宇宙在一段长时间内保持在亚稳态的“假真空”状态，成核被延迟，使得产生的引力波有所不同。通过严格解析计算和复杂的宇宙学相变模拟，课题组发现过冷相变作为SGWB可行解释面临两个主要挑战：1)相变要产生SGWB，需要渗透（遍布整个宇宙）并完成（达到旧相被新相取代的状态）。然而，超冷可能导致该过程无法完成，因为宇宙的快速膨胀，导致形成的气泡没有时间连接和渗透；2)即使可以避免完成问题，相变释放的能量也会将宇宙加热到高温，并回到推动相变的新物理能标。这些问题普遍存在于过冷相变理论模型中。这一发现基本排除了过冷相变作为解释目前PTA合作组观测到的纳赫兹引力波的可能性，对探索超低频引力波物理起源具有重要意义。

该论文是继武雷教授课题组今年在粒子与核物理顶级综述期刊《Progress in Particle and Nuclear Physics》上发表早期宇宙相变引力波研究成果之后又一新的突破。以上工作得到了国家自然科学基金委、江苏省外国专家工作室、南京师大理论物理研究所、彭桓武科教合作中心、天体物理与前物理交叉中心的资助和支持。

文章链接：//doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.221001