近日，国际著名物理学期刊Phys. Rev. Lett. 在线发表了国科大杭州高等研究院博士后刘京及其合作导师蔡荣根研究员和郭宗宽研究员的研究成果“Large Anisotropies of the Stochastic Gravitational Wave Background from Cosmic Domain Walls”，该研究提出了新的机制产生强各向异性的随机引力波背景。

引力波打开了人类探索宇宙的新窗口。在早期宇宙的一些剧烈过程中，例如相变、预加热、拓扑缺陷的产生和演化，哈勃视界内往往存在能量密度的强扰动，由于其横向无迹分量非零，这些扰动将产生可观的引力波。引力波在宇宙中传播时几乎不与其他物质相互作用，能量几乎不衰减，这使引力波成为了直接探测早期宇宙物理的理想探针，并将提供新物理的独特线索。该工作提出了一种新的机制产生强各向异性的随机引力波背景（SGWB），利用半解析方法得到了引力波能谱及其各向异性的角功率谱，发现这种机制产生的SGWB各向异性很强，预言的角功率谱大于0.01，有望被未来的SKA等探测器观测到，从而确定暴涨发生的能标。

考虑在暴涨期间存在轻标量场，其势函数具有多个非简并真空，见图1，且标量场有效质量小于暴涨时期的哈勃参量。暴涨时期的真空量子扰动导致标量场跨越势垒，在暴涨结束后，哈勃参量逐渐减小到标量场有效质量以下，标量场稳定在不同的真空附近，畴壁形成。虽然畴壁的能量密度所占比例随时间增大，由于真空非简并，畴壁将在主导宇宙之前塌缩，引力波也主要产生于畴壁塌缩前后。由于标量场在暴涨时期是轻场，其大尺度扰动在出视界后保持不变，造成畴壁能量密度的大尺度扰动和SGWB各向异性。作者利用半解析方法得到预言的引力波能量谱和各向异性，见图2。与之前的工作不同，在这种模型中各向异性很强，角功率谱大于0.01，可能在近期被SKA等探测器观测到。同时，通过SGWB的角功率谱可以对暴涨能标提供更严格的限制。

图1：一个典型的非简并标量场势函数

图2： 畴壁塌缩产生的随机引力波背景强度和强的各向异性

该工作由国科大杭高院基础物理与数学科学学院的博士后刘京及其合作导师蔡荣根研究员、郭宗宽研究员共同完成，得到了国家自然科学基金委重大项目、国家重点研发计划和中国科学院战略性先导科技专项的资助。国科大杭高院基础物理与数学科学学院为第一完成单位。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141303