近日，物理与光电工程学院物理学系张孟超副教授在物理学学术期刊《Physical Review D》（物理学Top期刊）上发表文章《Self-interacting dark matter implied by nano-Hertz gravitational waves》（Phys. Rev. D 109, 115025 (2024)）。该研究由张孟超副教授与中科院理论物理研究所杨金民研究员、中山大学韩成成副教授、北京航空航天大学谢科盼副教授共同合作完成。张孟超副教授为论文共同通讯作者。

图1. 文章发表页面截图

2023年6月份，NANOGrav实验组公布了对脉冲星计时阵列长达15年的观测数据分析结果。分析结果表明，人类第一次在高置信度上观测到了纳赫兹的随机引力波信号。由于传统的大质量黑洞对等天文学现象难以符合观测到的信号，因此如何解释这一新的观测结果迅速成为理论物理领域的热点课题。研究小组从暗物质的基本性质入手，猜测纳赫兹随机引力波信号可能与暗物质的自相互作用有关。暗物质的自相互作用可以用来解决所谓的“小尺度疑难”，而这种相互作用一般由MeV质量范围的媒介粒子提供。如果MeV质量范围的媒介粒子通过宇宙早期的一阶相变得到质量，那么相应的一阶相变过程所产生的随机引力波信号正好位于纳赫兹范围。通过仔细研究各种相关理论和实验限制，研究小组成功找到一些理论参数点可以同时解释暗物质的小尺度疑难和NANOGrav的随机引力波观测结果。

图2. 对小尺度疑难和纳赫兹随机引力波的同时解释

本次研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.115025

图文：张孟超

校对：陈科球

初审：黄晶晶

终审：幸江涛