随机引力波背景的起源：一阶相变与黑洞并合

NANOGrav、Parkes 和欧洲脉冲星计时阵列（PTA）实验收集了 nHz 频段存在随机引力波背景的强有力证据。在这项工作中，我们对信号进行了详细的统计分析，以阐明其物理起源。具体而言，我们将超大质量黑洞并合的标准解释与一阶相变的突出替代解释进行了对比测试。通过频率主义假设检验，我们发现与黑洞并合相比，观测到的引力波谱在 $2-3\sigma$ 显著性上更倾向于支持一阶相变（取决于底层的黑洞模型）。这种轻微的偏好与观测到的引力波信号相对较大的振幅（高于黑洞模型的典型预期）及其谱形状（与黑洞模型预测的主要为单一幂律谱相比，略微倾向于相变谱）有关。对组合 PTA 数据集的最佳拟合来自于主要通过气泡碰撞（而非声波）产生引力波信号的相变。最佳拟合的（能量密度）谱在 PTA 实验的频带内，呈现出从陡峭上升的幂律（因果尾）到平缓上升幂律的过渡；随后峰值频率略高于 PTA 测量范围。对于在真空隧穿的厚壁区域中发生、并将宇宙再加热至温度 $T_*\sim \text{GeV}$ 的强一阶相变，可以获得这样的谱。GeV 尺度的暗区相变提供了同样良好的拟合。