黄庆国的主页

原初黑洞暗物质研究的重要进展

2020-06-29T06:11:00Z

中国科学院理论物理研究所黄庆国研究员与他的两名博士研究生（陈祖成和袁晨）在伴随原初黑洞形成而产生的诱导引力波的理论研究和观测数据分析方面取得了一系列重要的进展。特别是，他们首次完成了在北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）发布的脉冲星计时阵列11年的观测数据中搜寻诱导引力波的信号，结果显示缺乏显著的统计学意义上的信号，从而得到目前国际上在大约千分之一到一倍太阳质量原初黑洞在暗物质中所占比例（丰度）的最严格限制。相关结果发表在Phys.Rev.Lett.。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.251101

　　宇宙学和天文学观测表明宇宙中存在大量的暗物质，约占宇宙全部物质的85%。不同于其他约占15%的普通物质，暗物质的本质依然是当前基础物理中最大的谜团之一。尽管弱相互作用大质量粒子（WIMP）被认为是暗物质的一个重要的候选者，但是大量的实验观测都没有发现它们存在的证据。相反地，它们赖以存在的理论参数空间正在被迅速的压缩。原初黑洞最早由霍金以及卡尔在上世纪七十年代初提出。原初黑洞产生于早期宇宙辐射为主时期大的密度涨落导致的引力塌缩。较大的原初黑洞的量子效应可以忽略不计，因而几乎是不发光的，是暗物质的一个天然候选者。一个关键的科学问题是宇宙中的暗物质是否全部或部分由原初黑洞组成。

　　物理上，大的密度涨落带来宇宙物质密度分布的梯度，进而产生四极矩。同时在引力理论中，密度涨落必然随时间演化，因而原初黑洞形成的过程中必然伴随产生由密度扰动诱导的引力波。搜寻这些诱导引力波成为寻找原初黑洞的一个强有力的工具。鉴于爱因斯坦广义相对论是一个非线性的理论，黄庆国研究员以及他的两名学生首次计算了伴随原初黑洞形成而产生的三阶诱导引力波，发现此三阶效应将未来的脉冲星计时阵列（包括IPTA、FAST以及SKA等）通过诱导引力波探测原初黑洞的质量范围有效地扩展到LIGO探测的黑洞质量范围。相关成果作为快讯（Rapid Communication）发表于Phys.Rev.D。此外，除了诱导引力波以外，其他一些天体物理过程也会辐射出引力波，并最终形成弥漫于整个宇宙的随机引力波背景。如何区分诱导引力波和其他天体物理过程产生的引力波成为利用诱导引力波探测原初黑洞的一个关键问题。他们发现诱导引力波能量谱的谱指数具有一种特别的对数依赖性，并且这一特征可以有效地用于区分其他天体物理过程产生的随机引力波背景。相关成果发表于Phys.Rev.D。最后，他们将这些理论结果应用到在NANOGrav 11年的实际观测数据中搜寻伴随原初黑洞形成而产生的诱导引力波。由于没有发现具有统计显示度的信号，他们得到目前国际上在大约千分之一到一倍太阳质量原初黑洞丰度（fpbh）的最严格限制。相较于其他的天文学观测限制，他们的结果显著地提升了几个到十几个数量级。

暴涨还是替代模型？

2017-06-10T02:13:38Z

以下是我为《环球科学》关于暴涨还是替代模型争论写的评论。

毋庸置疑暴涨宇宙学取得了巨大的成功，它所自然预言的宇宙空间平坦性和近标度不变的原初密度涨落都得到了精确宇宙学观测的强烈支持。不可否认，现有的暴涨宇宙学理论依然并非完美，仍然需要更深入的探究。但是，正如热大爆炸宇宙学模型尽管存在空间平坦性、视界等疑难，由于诸多的宇宙学观测给予大量的支持，因此热大爆炸模型仍然被广泛接受为标准的宇宙学模型。反过来看，这些暴涨的替代模型为了能提供和暴涨同样多的对已有观测现象的解释，往往需要更为精巧得多的人为构造。它们带来的问题甚至比解决的问题还要多。极早期宇宙的物理过程发生在宇宙最初极为短暂的时期，因此人们并不能回到那个时期去直接“观测”宇宙的演化，而是只能通过间接的方法去重构产生于那个时期的量子扰动的关联函数。令人遗憾的是仅仅通过关联函数原则上并不能区分那个时期宇宙是在暴涨还是收缩，因此目前并没有任何观测可以提供确凿无疑的方法来区分早期宇宙暴涨和其他替代模型。无论如何，从自然性和简单性原则来看，与那些替代模型相比，暴涨宇宙学不失为最简单和自然的极早期宇宙学模型。

阿里原初引力波科学研讨会

2016-04-18T00:47:39Z

时间：2016年4月18日

地点：中国科学院理论物理研究所新楼6620

召集人：黄庆国

会务：刘伟

主持人：蔡荣根

09:50-10:00 开幕

10:00-11:00 张新民／苏萌／李虹：阿里原初引力波探测计划介绍

11:00-11:15 合影＋休息

11:15-12:15 黄庆国：暴涨和原初引力波

12:15-13:30 午餐＋休息

主持人：陈学雷

13:30-14:00 范祖辉：Weak lensing peak studies

14:00-14:30 李明哲：Some topics on B-mode cosmology

14:30-15:00 张乐：Challenges of foreground subtraction in B-mode measurements

15:00-15:15 李思宇：阿里原初引力波探测计划模拟初步结果

15:15-15:45 休息

15:45-18:00 自由讨论

Neutrino mass and mass hierarchy

2016-01-12T12:27:47Z

arXiv:1512.05899 by Qing-Guo Huang, Ke Wang and Sai Wang

中微子振荡的发现表明中微子是有质量的。中微子振荡的发现赢得了2015年诺贝尔物理奖。然而通过中微子振荡实验只能测量中微子质量平方差，不能测量中微子的绝对质量。

The tensor tilt n_t

2016-01-13T06:30:12Z

arXiv:1403.7173 by Cheng Cheng and Qing-Guo Huang

arXiv:1502.02541 by Qing-Guo Huang and Sai Wang

arXiv:1509.02676 by Qing-Guo Huang, Sai Wang and Wen Zhao

暴涨模型预言原初引力波功率谱可以简单参数化为

其中。正则单场慢滚暴涨预言张标比。因此正则单场暴涨模型有一个自洽性关系:

。

这个关系不依赖于具体的暴涨模型。目前的观测结果是r<0.1，那么-n_t<0.0125，即正则单场慢滚暴涨产生的原初引力波功率谱非常接近于标度不变谱。另一方面，可以利用观测数据来检验这个自洽性关系。如果这个自洽性关系不成立，那么就可以排除所有正则单场暴涨模型。

2014年3月BICEP2声称发现原初引力波的信号，并发布了全部数据。我们马上意识到下一个重要的问题就是研究原初引力波功率谱的谱指数（n_t）。我们首先利用普朗克卫星温度各向异性角功率谱和WMAP极化谱对张标比（r）和张量谱指数（n_t）进行限制（见下图灰色的轮廓线）。从图中不难发现普朗克卫星温度各向异性角功率谱和WMAP极化谱得到的结果和BICEP2的结果（蓝色线）存在明显的不一致。利用所有这些数据得到的结果如下图中的绿色轮廓线。绿色轮廓线显示在约99.7%置信水平上n_t>0，这与简单的暴涨模型预言不一致。但是，事实上把两组相互矛盾的数据拿来做联合分析是不可靠的。在文章中，我们明确指出绿色轮廓线对应的结果应当是非物理的！

正如上篇博文所指出的，我们需要考虑尘埃所带来的污染。在我们完成arXiv:1403.7173的时候普朗克卫星尚未公开353GHz的测量结果。我们采用参数化D_l^dust~l^{-0.3}得到的结果如下图所示。从图中不难发现n_t=0仍然在一个标准偏差范围内！

事实上，微波背景辐射温度各向异性角功率谱由标量扰动（密度扰动）主导，因此并不适合用来限制引力波功率谱的谱指数。2015年2月BICEP2和普朗克合作组联合发布了普朗克卫星，BICEP2和KeckArray对微波背景辐射B-模极化的测量结果（arXiv:1502.00612）。在arXiv:1502.02541中，为了避免起主导作用的标量扰动对引力波功率谱性质限制带来的偏见，我们提出应当只用B-模极化的数据来限制引力波功率谱的谱指数。为了更好的限制引力波功率谱谱指数的正的部分，我们进一步提出应当联合LIGO的观测数据（arXiv:1406.4556）。结果如下图所示。可见n_t=0和观测数据相一致，而且LIGO的数据确实有助于更好的限制n_t>0的部分。

未来地面和气球实验对张标比（r）的探测精度大约是0.01，而卫星实验有可能达到0.001的探测精度（arXiv:1502.01983）。在arXiv:1509.02676中，我们考虑普朗克卫星对尘埃的测量结果后，预测未来各种观测测量n_t所能达到的精度。我们发现对于r<0.1即使是未来可预见的最精确的卫星观测（LiteBIRD）都无法检验正则单场暴涨模型的自洽性关系。假定r~0.01，未来CLASS（蓝色）和LiteBIRD（红色）所能达到的精度如下图所示。

Hunting for the primordial gravitational waves

2016-01-13T06:29:03Z

arXiv:1409.7025 by Cheng Cheng, Qing-Guo Huang and Sai Wang

1915年爱因斯坦提出广义相对论之后第二年，即1916年，他发现广义相对论预言存在引力波。引力波是时空的涟漪。广义相对论是描述无质量自旋为2的粒子（引力子）的一个自洽理论。然而100年来引力波从未被发现过。现在全世界很多科学家正在通往发现引力波的道路上赛跑。

原初引力波（primordial gravitational waves）产生于极早期宇宙。由于宇宙的膨胀，它们的波长被拉长到宇宙尺度。由于引力子自旋为2，它们会在微波背景辐射极化上留下特殊的“指纹”（B-模极化）。

2014年3月，宇宙河外背景偏振成像（BICEP2）合作组声称他们发现了原初引力波留下来的特殊的指纹（arXiv:1403.3985）！这一发现震撼了整个基础科学界。如果这是真的，那么将无疑是基础科学领域一个突破性的进展。大家津津乐道的不是这个发现能否值诺贝尔奖的问题，而是值几个诺贝尔奖的问题。如果BICEP2探测到的信号来自原初引力波，那么张－标比（tensor-to-scalar ratio）为r=0.20(-0.05)(+0.07)。这与A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型的预言相吻合。因此很多人乐观的估计发现B-模极化的BICEP2小组和提出暴涨宇宙学模型的三位科学家（A. Starobinsky, A. Guth和A. Linde）分别获得诺贝尔物理奖。

2014年5月开始峰回路转。美国有两个小组构造了尘埃物质产生的CMB B-模极化模型，指出尘埃物质也可以很好的拟合BICEP2的观测数据（arXiv:1405.5857 by Mortonson and Seljak from UCBerkeley, 1405.7351 by Flauger, Hill and Spergel from Princeton University and New York University）。但是这两个小组都不能很好的预言尘埃物质产生的CMB B-模极化的大小，因此不能完全判断BICEP2的观测数据到底是来自宇宙尘埃还是原初引力波。要回答这个问题需要普朗克卫星的高频（353GHz）观测数据。

2014年9月22日，星期一，普朗克353GHz的观测数据出现在预印本服务器上（arXiv:1409.5738）。下图中框住的部分对应BICEP2所观测的天区。

看到这篇文章后我意识到应当立即着手利用普朗克353GHz的观测数据定量分析BICEP2的数据是否还含有原初引力波的证据。把普朗克353GHz的结果作为一个prior加到COSMOMC，我们得到以下结论：

1、联合普朗克2013年发布的温度各向异性角功率谱和WMAP极化功率谱的数据，发现BICEP2的数据不包含原初引力波存在的证据。

2、在99.7%置信水平上排除A. Linde提出的m^2phi^2暴涨模型。

我们的结果受到A. Linde, J. Ellis, U. Seljak等人的关注，与2015年2月BICEP2和普朗克合作组联合分析得到的结果（arXiv:1502.00612, 1502.02114）一致！

2015年诺贝尔物理奖：中微子振荡

2015-10-11T04:40:00Z

2015年诺贝尔物理奖颁发给Takaaki Kajita和Arthur B. McDonald，以表彰他们发现中微子振荡，揭示中微子具有质量。

附我为“科学人”撰写的简评：

传统的粒子物理标准模型认为中微子是没有质量的。然而中微子振荡现象毫无疑义地揭示了至少有些中微子的质量并非为零。既然它们具有质量，那么它们的质量是如何排序的呢？尽管中微子如同幽灵一般在宇宙中自由穿梭，如入无人之境，但是它们却可以影响宇宙结构的形成。因此中微子质量的顺序有可能可以通过对宇宙结构的测量确定下来。2015年诺贝尔物理学奖颁给中微子振荡现象的发现。这绝不是中微子物理的终结，而是中微子物理一个新的开始。有理由相信在不远的未来中微子物理将会为我们揭示更多宇宙的奥秘，给我们带来更大的惊喜！

Planck 2015 versus BAO at z=2.34

2016-01-13T06:28:44Z

arXiv:1509.00969 by Qing-Guo Huang, Ke Wang and Sai Wang

普朗克卫星对微波背景辐射（CMB）各向异性的测量将宇宙学推入一个前所未有的"精细"宇宙学时代。微波背景辐射光子从宇宙大爆炸之后约38万年的时候一直传播到现在（约138亿年）。暗能量具有负的压强，而且在宇宙晚期主导宇宙的演化。微波背景辐射各向异性可以用来限制暗能量的关键性质：暗能量的能量密度（rho_de）及其状态方程（w=p_de/rho_de）。宇宙学常数是最简单的暗能量模型，它的状态方程是w=-1。

采用宇宙学蒙特卡洛马尔科夫链（CosmoMC）的方法拟合数据组发布的似然数据点可以限制宇宙学模型参数。如果仅仅局限于研究暗能量的性质，有时并不需要用全局拟合的方法，而仅需计入一些约化的特征参数，比如distance priors ｛R, l_A, Omega_b h^2, n_s｝，其中R表征声学峰的幅度，l_A表征声学峰的结构。2015年2月，普朗克合作组发布最新的科学结果，但是并没有同时发布微波背景辐射极化的似然数据。在arXiv:1502.01590中，普朗克合作组仅仅利用TT+lowP的数据重构出distance priors。最近普朗克合作组公开了极化的数据。我们采用了所有的普朗克观测数据（包括极化数据）重构了distance priors。我们的结果比普朗克合作组结果的精度改进了30%～40%。见图1中蓝色的轮廓线。我们的结果是迄今为止得到的最精确的distance priors。我们的结果发布到arXiv几天后，Caltech的Yun Wang及其合作者Mi Dai也得到了类似的结果（arXiv:1509.02198）。

［图1］

目前为止，几乎所有的宇宙学观测都可以很和谐的在宇宙学常数＋冷暗物质（LCDM）宇宙学模型下得到解释。LCDM模型也常常被称为标准宇宙学模型。然而，尽管普朗克2015年发布的观测数据和低红移重子声波振荡（BAO）的数据在LCDM模型下高度自恰（arXiv:1502.01589），但是却和通过Lyalpha forest得到的红移z=2.34的BAO的数据（arXiv:）存在大约2.7个标准偏差的偏离。这种偏离可能源于数据处理时一些尚未知晓的系统误差。还有一种可能是需要修改LCDM宇宙学模型。

在arXiv:1509.00969中，我们将LCDM模型扩展到一般的暗能量模型，并进一步扩展到空间弯曲的宇宙模型。利用前面的到的distance priors，低红移BAO以及Union2.1超新星数据限制这两个扩展模型，并预言这两个模型在红移z=2.34的角直径距离（D_A）以及哈勃参数。见图2中蓝色和红色的轮廓线。图2中紫色和绿色“十”字型分别对应Lyalpha forest自相关的测量结果以及复合了自相关和互相关联数据得到的结果。从图2不难发现在这两个扩展模型中，普朗克的观测数据以及低红移BAO的观测数据仍然和红移z=2.34的BAO数据存在明显的不一致。可见简单的扩展LCDM宇宙学模型并不能很好的解释这几组数据之间的不一致。

［图2.紫色和绿色“十”字型分别对应Lyalpha forest自相关的测量结果

以及复合了自相关和互相关数据得到的结果］

当然目前这种不一致的置信度大约只有2个标准偏差。这不足以得到确定性的结论。如果未来有更多更可靠的数据进一步确认这种不一致将强烈暗示确实需要超越LCDM宇宙学模型。