通過探測來自宇宙大爆炸后不久的引力波 ，脈沖星計時陣列 (PTA) 為探索早期宇宙提供了一種強大的工具。近期研究表明，QCD（量子色動力學）交叉，即早期宇宙中強相互作用性質的轉變，可能會在這些引力波的頻譜上留下獨特的印記。

一、脈沖星計時陣列揭示早期宇宙

脈沖星是快速旋轉的中子星，會發射出極其精確的無線電脈沖。PTA由多個脈沖星組成，通過精確監測脈沖的到達時間，天文學家可以探測到由引力波引起的時空微小彎曲。雖然這些偏差很小，但它們卻蘊含著解開引力波和源頭特性的關鍵信息。

PTA最引人注目的應用在于探測隨機引力波背景，這是一種彌漫在宇宙中的微弱引力波，來自于各種源頭。如果早期宇宙中存在大量高能過程發射引力波，它們累積起來就會形成這種隨機背景，讓我們得以一窺宇宙的暴力誕生過程。

目前的PTA觀測表明，存在于納赫茲頻率的隨機引力波背景。然而，這些引力波的確切來源仍然是一個謎。這時，QCD交叉的概念便引起了人們的興趣。

二、QCD交叉

QCD 是描述強核力的理論，強核力是將夸克結合在一起形成質子和中子的基本力之一。在極高的溫度下，例如宇宙大爆炸后不久，夸克被認為是自由存在的，不受強力的約束。這種狀態被稱為夸克-膠子等離子體 (QGP)。

隨著宇宙的冷卻和膨脹，一種轉變發生了。夸克被限制在質子和中子中，這一階段以強子(由夸克組成的復合粒子)占主導地位為特征。這種轉變不是一個劇烈的相變，而是一個從夸克主導態到強子主導態的逐漸交叉。

這種交叉發生時的溫度是我們理解早期宇宙的一個關鍵參數。此外，這種交叉過程的細節可能會在宇宙引力波背景頻譜上留下獨特的特征。

三、引力波中的 QCD 簽名

這一研究的核心思想是，在引力波產生時，宇宙能量密度中所包含的粒子類型會影響所發射引力波的特性。在與目前觀測到的隨機引力波背景相關的時代（溫度約為1 GeV），QCD交叉扮演著關鍵角色。

在交叉之前，宇宙充滿了大量的相對論粒子：夸克和膠子，它們對能量密度做出了重大貢獻。然而，在跨越之后，夸克被限制在強子中，有效地減少了相對論自由度（能量存儲方式）。由于限制導致的相對論粒子數量的急劇減少，預計會在所發射引力波的頻譜上留下明顯的痕跡。

傳統上，引力波背景低頻尾部的頻率依賴關系由簡單的f^(-3) 冪律（其中 f 代表頻率）近似表示。然而，預計 QCD 交叉的存在會導致引力波背景低頻尾部的下降更加陡峭。

研究人員對NANOGrav 15年的數據集進行了貝葉斯分析。這些分析令人信服地證明，與傳統的f^(-3)模型相比，在將QCD對低頻尾的影響納入模型時，具有更好的擬合性。這一發現強調了在解釋脈沖星計時陣列觀測到的宇宙引力波背景時，考慮強相互作用的復雜性的關鍵作用。

四、意義

這項研究的意義是深遠的，它強調了將對基礎物理學的細致理解，納入我們對引力波背景分析的重要性。通過仔細考慮QCD交叉的影響，我們可以從脈沖星計時陣列測量中提取關于早期宇宙的更精確的信息。

此外，該研究為改進宇宙引力波背景的模型鋪平了道路。通過將觀測到的引力波譜與解釋QCD效應的各種模型的預測進行比較，科學家們可以潛在地區分早期宇宙演化的不同情景。