引力波於2015年首次被探測到，在愛因斯坦預言它們存在的一個世紀後，引力波是穿過時空結構本身的漣漪。它們通常是由宇宙大災難發出的，比如黑洞或中子星之間的碰撞。
這些事件產生的信號短而尖銳，在幾秒鐘甚至更快的時間內沖刷地球。但也有人預測，應該有一個穩定的背景場，由波長巨大的平緩波組成，可能需要一年多的時間才能從我們身邊經過。這些都是更難捕捉到的，需要比地球上能建造的更大的探測器。
但在1月份，NANOGrav合作報告瞭第一次檢測到這些波，頻率很低，大約10-8赫茲。這些是通過觀察銀河系中一系列明亮的脈沖星，觀察它們的光如何在不同的時間間隔被拉伸或擠壓，因為它跟隨背景引力波的起伏而變化。
在這項新的研究中，美因茨大學的科學傢們調查瞭可能產生這些漣漪的原因。他們發現，該信號符合兩種位於物理學標準模型之外的情況：早期宇宙中的相變，以及可能構成暗物質的類軸子粒子場。
“盡管到目前為止，這些數據隻是為我們提供瞭低頻引力波存在的第一個暗示，但對我們來說，與它們合作仍然是非常令人興奮的，”該研究的共同作者Wolfram Ratzinger說。“這是因為這種波可能是由早期宇宙中發生的各種過程產生的。我們現在可以利用我們已經擁有的數據來決定，其中哪些是考慮到的，哪些完全不符合數據。”
研究人員認為，宇宙大爆炸之後，宇宙中充滿瞭誇克-膠子等離子體--一種由基本粒子組成的密集的 “原始湯”--慢慢冷卻成我們今天看到的各種物質。這種相變被認為產生瞭巨大的動蕩，可以作為低頻引力波被探測到。
有趣的是，這些信號可以讓科學傢們看到早期宇宙的幕後，以前無法接觸到的情況。宇宙微波背景(CMB)是一種彌漫在宇宙中的輻射場，通常被描述為大爆炸的“餘暉”。然而，這個場遮蔽瞭望遠鏡所能看到的宇宙最早的日子，這意味著我們能看到的最遠的時間是在大爆炸後30萬年左右。這些引力波可能攜帶著在此之前的信息。
第二種情況是，低頻引力波是由 “暗物質場”產生的。軸子是一種假設的基本粒子，如果它們存在的話，被認為是以波的形式漂浮在宇宙中，很少與正常物質相互作用。因此，它們被提出為暗物質的候選者。
新研究團隊認為，一個類似於軸子的粒子場可能是引力波信號的原因。這些類軸子粒子場會將能量轉移到另一種被稱為暗光子的假設粒子上，這將是一種類似於我們熟悉的電磁光子的力載體。該團隊表示，這種能量轉移會放大暗光子場中的量子波動，而暗光子場中的量子波動可能會成長為檢測到的那種引力波背景。
研究人員表示，在這兩種情況中，相變是更有可能的候選方案。不過他們也指出，原團隊的結論--波紋代表超大質量黑洞之間碰撞的背景噪音--仍然是最整齊的解釋。但無論如何，進一步的調查都有可能幫助解開來自標準模型之外的秘密。
“這是我們工作的第一個但重要的進展--它給瞭我們很大的信心，有瞭更精確的數據，我們就可以得出可靠的結論，瞭解引力波從早期宇宙向我們傳遞的信息，”研究人員說。
這項研究發表在《SciPost Physics》雜志上。
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