原初黑洞蒸发中产生的大质量粒子衰变所引发的引力波

本文研究了霍金辐射产生的粒子在衰变过程中通过轫致辐射发射引力子而形成的随机引力波谱。尽管粒子衰变不可避免地会因轫致辐射而发射引力子，但由于物质场与引力子耦合受到普朗克尺度抑制，相关的衰变宽度显著减小。因此，由这些引力子构成的此类引力波的遗迹丰度也相应降低。然而，我们证明，在蒸发中的原初黑洞的霍金辐射中，可以自然地出现质量高达普朗克尺度的超重粒子，从而能够补偿这种抑制。此外，我们还讨论了由这些蒸发中的原初黑洞直接辐射出的引力子所构成的随机引力波。当超重粒子在其产生后迅速衰变时，相应的引力波谱仍次于直接由原初黑洞蒸发产生的谱。但是，如果该粒子是长寿命的，并在原初黑洞蒸发之后才衰变，那么这两个过程中产生的引力波将具有两个不同的谱，其峰值位于极高频段，这为拟议中的超高频引力波探测器提供了探测途径。我们还表明，此类引力波对显著的暗辐射有重要贡献，这可以通过未来实验增强的灵敏度进行探测。