中國科學(xué)院理論物理研究所黃慶國研究員與他的兩名博士研究生（陳祖成和袁晨）在伴隨原初黑洞形成而產(chǎn)生的誘導(dǎo)引力波的理論研究和觀測數(shù)據(jù)分析方面取得了一系列重要的進展。特別是，他們首次完成了在北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）發(fā)布的脈沖星計時陣列11年的觀測數(shù)據(jù)中搜尋誘導(dǎo)引力波的信號，結(jié)果顯示缺乏顯著的統(tǒng)計學(xué)意義上的信號，從而得到目前國際上在大約千分之一到一倍太陽質(zhì)量原初黑洞在暗物質(zhì)中所占比例（豐度）的最嚴格限制。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Phys.Rev.Lett.。　　

　　宇宙學(xué)和天文學(xué)觀測表明宇宙中存在大量的暗物質(zhì)，約占宇宙全部物質(zhì)的85%。不同于其他約占15%的普通物質(zhì)，暗物質(zhì)的本質(zhì)依然是當前基礎(chǔ)物理中最大的謎團之一。盡管弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）被認為是暗物質(zhì)的一個重要的候選者，但是大量的實驗觀測都沒有發(fā)現(xiàn)它們存在的證據(jù)。相反地，它們賴以存在的理論參數(shù)空間正在被迅速的壓縮。原初黑洞最早由霍金以及卡爾在上世紀七十年代初提出。原初黑洞產(chǎn)生于早期宇宙輻射為主時期大的密度漲落導(dǎo)致的引力塌縮。較大的原初黑洞的量子效應(yīng)可以忽略不計，因而幾乎是不發(fā)光的，是暗物質(zhì)的一個天然候選者。一個關(guān)鍵的科學(xué)問題是宇宙中的暗物質(zhì)是否全部或部分由原初黑洞組成。

　　物理上，大的密度漲落帶來宇宙物質(zhì)密度分布的梯度，進而產(chǎn)生四極矩。同時在引力理論中，密度漲落必然隨時間演化，因而原初黑洞形成的過程中必然伴隨產(chǎn)生由密度擾動誘導(dǎo)的引力波。搜尋這些誘導(dǎo)引力波成為尋找原初黑洞的一個強有力的工具。鑒于愛因斯坦廣義相對論是一個非線性的理論，黃慶國研究員以及他的兩名學(xué)生首次計算了伴隨原初黑洞形成而產(chǎn)生的三階誘導(dǎo)引力波，發(fā)現(xiàn)此三階效應(yīng)將未來的脈沖星計時陣列（包括IPTA、FAST以及SKA等）通過誘導(dǎo)引力波探測原初黑洞的質(zhì)量范圍有效地擴展到LIGO探測的黑洞質(zhì)量范圍。相關(guān)成果作為快訊（Rapid Communication）發(fā)表于Phys.Rev.D。此外，除了誘導(dǎo)引力波以外，其他一些天體物理過程也會輻射出引力波，并最終形成彌漫于整個宇宙的隨機引力波背景。如何區(qū)分誘導(dǎo)引力波和其他天體物理過程產(chǎn)生的引力波成為利用誘導(dǎo)引力波探測原初黑洞的一個關(guān)鍵問題。他們發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)引力波能量譜的譜指數(shù)具有一種特別的對數(shù)依賴性，并且這一特征可以有效地用于區(qū)分其他天體物理過程產(chǎn)生的隨機引力波背景。相關(guān)成果發(fā)表于Phys.Rev.D。最后，他們將這些理論結(jié)果應(yīng)用到在NANOGrav 11年的實際觀測數(shù)據(jù)中搜尋伴隨原初黑洞形成而產(chǎn)生的誘導(dǎo)引力波。由于沒有發(fā)現(xiàn)具有統(tǒng)計顯示度的信號，他們得到目前國際上在大約千分之一到一倍太陽質(zhì)量原初黑洞豐度（fpbh）的最嚴格限制。相較于其他的天文學(xué)觀測限制，他們的結(jié)果顯著地提升了幾個到十幾個數(shù)量級。

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