2月10日，高能物理国际权威刊物Journal of High Energy Physics（JHEP）在线刊发了题为《FLRW时空中相变宇宙泡碰撞产生的引力波》（Gravitational waves from bubble collisions in FLRW spacetime）的论文。论文第一作者是我院2017级本科生钟浩文（目前在美国明尼苏达大学双城分校读研），该论文源自其本科毕业论文，指导教师是龚碧平教授、邱涛涛副教授。

引力波是当前国际高能物理和天文学界备受关注的焦点之一。2015年引力波的发现，不仅证实了爱因斯坦广义相对论的预言，并且作为一枚新的宇宙“探针”，由于其频段宽、受干扰小等特点，在天体物理和宇宙学领域有着广泛的应用。特别是频率低达10-16Hz的原初引力波能反映宇宙更早期的信息，如暴胀或相变时期的信息。由于低频引力波十分微弱，探测起来相当困难，因此这也是下一代引力波探测器瞄准的重点。

宇宙学和粒子物理学告诉我们，宇宙在早期会发生多次相变。在这些相变过程中，大量能量较低的“真空泡”会不断产生并相互碰撞，释放出引力波。这种相变引力波是宇宙早期引力波的重要组成部分。早在上世纪90年代，Kosowsky等人便计算了这种引力波的数值解。然而，为了更好的分析相变引力波的产生的物理过程，人们开始尝试给出这种相变引力波的解析解。在2007年和2017年，人们分别由不同的方法给出闵氏时空下（忽略宇宙膨胀）的解析解。

然而，众所周知，我们的宇宙是在不断膨胀的，特别在宇宙早期的暴胀过程和晚期的加速膨胀过程，宇宙的膨胀速度非常快。这种膨胀效应对真空泡的产生，以及引力波的产生都会造成明显的影响。上述解析解虽然便于计算和分析，但忽略宇宙的膨胀效应会与真实的物理过程产生较大差异。作者采用了Ryusuke Jinno等人于2017年提出的模型，首次将宇宙膨胀的因素直接纳入讨论框架，通过定义无量纲化变量 β最大程度地将粒子物理模型和引力波产生模型解耦并给出了FLRW时空中引力波谱的解析表达式。这项工作方便了未来对于膨胀时空中真空泡碰撞引力波的讨论，一旦给定一个具体模型，研究者无需再次进行繁琐的计算，仅仅需要将对应模型参数代入即可得到对应结果。除此之外，作者也扫描了参数空间并将结果与众多未来的太空引力波探测器的灵敏度曲线进行了比较。与闵氏时空的结果相比，作者发现，虽然其所产生的引力波能量密度更小，对引力波的探测会带来新的挑战，但是在将来的TianQin，LISA，DECIGO和BBO等诸多引力波探测实验中，仍很有可能被探测到。

该工作得到了国家自然科学基金委面上基金、科技部重点研发项目等资助。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP02(2022)077

图一：真空泡示意图。（Reference：Natl.Sci.Rev. 4 (2017) 5, 687-706）

图二：引力波谱及EPTA、NanoGrav、SKA、TianQin、DECIGO、LISA、B-DECIGO、DECIGO、BBO等实验给出的限制区间。其中参数σ代表相变的速度（无量纲化），T代表温度（无量纲化），α代表相变过程中所释放的能量密度与当时宇宙环境中辐射能量密度之比，f代表引力波频率范围。