Distinguishing the nanohertz gravitational-wave sources by the observations of compact dark matter subhalos
Abstract: The latest pulsar timing array data reveals evidence of nanohertz gravitational waves (GWs), which have been explained by both cosmological and astrophysical sources. However, current observations lack the precision needed to differentiate between different models from the spectral index. We find that the cosmological GW sources, including bubble collisions, sound waves, domain walls, condensate fragmentations, and primordial curvature perturbations, induce large energy density perturbations so that most dark matter will exist in gravitationally self-bound subhalos. Then, the observation of such substructures of dark matter can serve as a novel independent method to confirm or exclude the cosmological GW sources.
- M. Maggiore, Phys. Rept. 331, 283 (2000), arXiv:gr-qc/9909001 .
- L. A. Boyle and P. J. Steinhardt, Phys. Rev. D 77, 063504 (2008), arXiv:astro-ph/0512014 .
- C. Caprini and D. G. Figueroa, Class. Quant. Grav. 35, 163001 (2018), arXiv:1801.04268 [astro-ph.CO] .
- L. Bian et al., Sci. China Phys. Mech. Astron. 64, 120401 (2021a), arXiv:2106.10235 [gr-qc] .
- J. Aasi et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 32, 074001 (2015), arXiv:1411.4547 [gr-qc] .
- F. Acernese et al. (VIRGO), Class. Quant. Grav. 32, 024001 (2015), arXiv:1408.3978 [gr-qc] .
- P. Amaro-Seoane et al. (LISA),  (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
- J. Luo et al. (TianQin), Class. Quant. Grav. 33, 035010 (2016), arXiv:1512.02076 [astro-ph.IM] .
- H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
- A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951 (2023), 10.3847/2041-8213/acdc91, arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
- D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951 (2023), 10.3847/2041-8213/acdd02, arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al.,  (2023), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
- J. Ellis and M. Lewicki, Phys. Rev. Lett. 126, 041304 (2021), arXiv:2009.06555 [astro-ph.CO] .
- W. Ratzinger and P. Schwaller, SciPost Phys. 10, 047 (2021), arXiv:2009.11875 [astro-ph.CO] .
- R. Samanta and S. Datta, JHEP 05, 211 (2021), arXiv:2009.13452 [hep-ph] .
- S. Vagnozzi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 502, L11 (2021), arXiv:2009.13432 [astro-ph.CO] .
- K. Kohri and T. Terada, Phys. Lett. B 813, 136040 (2021), arXiv:2009.11853 [astro-ph.CO] .
- G. Domènech and S. Pi, Sci. China Phys. Mech. Astron. 65, 230411 (2022), arXiv:2010.03976 [astro-ph.CO] .
- N. Ramberg and L. Visinelli, Phys. Rev. D 103, 063031 (2021), arXiv:2012.06882 [astro-ph.CO] .
- A. K. Pandey, Eur. Phys. J. C 81, 399 (2021), arXiv:2011.05821 [astro-ph.CO] .
- M. Kawasaki and H. Nakatsuka, JCAP 05, 023 (2021), arXiv:2101.11244 [astro-ph.CO] .
- R. Sharma, Phys. Rev. D 105, L041302 (2022), arXiv:2102.09358 [astro-ph.CO] .
- Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav), Phys. Rev. Lett. 127, 251302 (2021), arXiv:2104.13930 [astro-ph.CO] .
- Z. Yi and Z.-H. Zhu, JCAP 05, 046 (2022), arXiv:2105.01943 [gr-qc] .
- T.-J. Gao,  (2021), arXiv:2110.00205 [gr-qc] .
- B. Allen and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. Lett. 64, 119 (1990).
- K. D. Lozanov and M. A. Amin, Phys. Rev. D 99, 123504 (2019), arXiv:1902.06736 [astro-ph.CO] .
- J. Chluba and R. A. Sunyaev, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 419, 1294 (2012), arXiv:1109.6552 [astro-ph.CO] .
- M. Ricotti and A. Gould, Astrophys. J. 707, 979 (2009), arXiv:0908.0735 [astro-ph.CO] .
- C. J. Hogan and M. J. Rees, Phys. Lett. B 205, 228 (1988).
- E. W. Kolb and I. I. Tkachev, Phys. Rev. Lett. 71, 3051 (1993), arXiv:hep-ph/9303313 .
- A. L. Erickcek and K. Sigurdson, Phys. Rev. D 84, 083503 (2011), arXiv:1106.0536 [astro-ph.CO] .
- T. D. Brandt, Astrophys. J. Lett. 824, L31 (2016), arXiv:1605.03665 [astro-ph.GA] .
- S. J. Huber and T. Konstandin, JCAP 09, 022 (2008), arXiv:0806.1828 [hep-ph] .
- A. Vilenkin, Phys. Rept. 121, 263 (1985).
- A. Vilenkin, Phys. Rev. D 23, 852 (1981).
- K. Saikawa, Universe 3, 40 (2017), arXiv:1703.02576 [hep-ph] .
- H. B. Nielsen and P. Olesen, Nucl. Phys. B 61, 45 (1973).
- P. A. R. Ade et al. (Planck), Astron. Astrophys. 571, A25 (2014), arXiv:1303.5085 [astro-ph.CO] .
- K. D. Olum and J. J. Blanco-Pillado, Phys. Rev. Lett. 84, 4288 (2000), arXiv:astro-ph/9910354 .
- P. Auclair et al., JCAP 04, 034 (2020), arXiv:1909.00819 [astro-ph.CO] .
- J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 96, 104046 (2017), arXiv:1709.02693 [astro-ph.CO] .
- S. Y. Khlebnikov and I. I. Tkachev, Phys. Rev. D 56, 653 (1997), arXiv:hep-ph/9701423 .
- O. Özsoy and G. Tasinato,  (2023), 10.3390/universe9050203, arXiv:2301.03600 [astro-ph.CO] .
- W. H. Press and P. Schechter, Astrophys. J. 187, 425 (1974).
- K. Kohri and T. Terada, Phys. Rev. D 97, 123532 (2018), arXiv:1804.08577 [gr-qc] .
- P. Scott and S. Sivertsson, Phys. Rev. Lett. 103, 211301 (2009).
- G. Franco Abellán and G. Facchinetti,  (2023), arXiv:2304.02996 [astro-ph.CO] .
- M. Hindmarsh and J. Kume, JCAP 04, 045 (2023), arXiv:2210.06178 [astro-ph.CO] .
- A. Sesana et al., Exper. Astron. 51, 1333 (2021), arXiv:1908.11391 [astro-ph.IM] .
- D. Blas and A. C. Jenkins, Phys. Rev. Lett. 128, 101103 (2022), arXiv:2107.04601 [astro-ph.CO] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.