引力波天文学时代的宇宙学与基础物理学

引力波（GW）天文学的出现为我们提供了一种观测宇宙的全新手段，使我们能够以前所未有的方式探测其结构和演化。在本论文中，我们探索了利用引力波观测获得对宇宙学和基础物理学新见解的三条不同但互补的途径。在第一章中，我们研究了天体物理引力波背景（AGWB）：由整个宇宙中大量致密双星并合（CBC）产生的累积引力波信号。由于这些致密双星位于星系中，AGWB 包含各向异性，这些各向异性描绘了宇宙物质分布的大尺度结构。我们研究了 AGWB 的角功率谱，目的是开发出可与定向 AGWB 搜索进行对比的预测。在第二章中，我们计算了宇宙弦环上的尖点（cusps）和扭结（kinks）发射的非线性引力波记忆，它们是宇宙学上最有希望的引力波源之一。我们表明，令人惊讶的是，对于足够大的环，尖点记忆信号会发散，这表明尖点的弱场描述的有效性失效。然后，我们针对这种发散提出了一种尝试性的可能解决方案，其中尖点周围的弦部分坍缩形成一个原初黑洞（PBH）。最后，在第三章中，我们开发了一种基于对双星系统轨道进行精确测量的强大引力波探测新方法。在存在随机引力波背景（GWB）的情况下，双星组件的轨迹会受到扰动，导致系统轨道参数随时间发生随机游走。我们通过这种效应计算了双星脉冲星和月球激光测距对 GWB 的灵敏度，并表明现有数据已经足够灵敏，可以在 $\mu$Hz 频段施加迄今为止最强的约束。