We discuss stochastic gravitational waves sourced from cosmological first-order phase transitions. The recent development of gravitational-wave observatories opens a new era of multi-messenger astronomy, and in the upcoming decades, cosmological sources of gravitational waves would be a new passage towards high-energy phenomena. The first-order phase transition as a cosmological source is one of the interesting candidates beyond the standard model. Despite much attention to the models of first-order phase transitions, there are several logical gaps in the dynamics during the phase transition about each contribution of sources to gravitational waves, the amount of generated gravitational waves, decay processes of sources, and determination of the bubble wall speed. As a part of the efforts, we investigate analytic approaches to the power spectrum of gravitational waves and the evolution of fluid sources with parametrizing the dynamics of phase transitions. We especially focus on the very strong first-order phase transitions because the extremeness would result in strong signals, and in addition, it is rarely investigated on account of the hardness of the problem. We investigate two independent aspects of strong first-order phase transitions, bubble nucleation rate and fluid shocks as gravitational-wave sources. First, since the approximated exponential form of the bubble nucleation rate would not be valid in the strong phase transition regime, we consider the next-order correction to the rate and see the implications for the gravitational wave power spectrum. The correction appears through the sharpness of the normalized power spectrum, and future sensitive observatories are expected to distinguish the difference. Second, if the speed of the scalar bubbles gets to the terminal velocity by friction which is originated from microphysical processes, then the bulk motion of radiation which is called fluid bubble would be the dominant source of gravitational waves. In the very strong first-order phase transition regime, we study the early phase of the fluid bubbles. Since the fluid bubbles form shock waves, through understanding the dynamics of shocks, we find how the shocks decay through nonlinear propagation and the consequences for gravitational waves. Although many debates are ongoing, and there remain questions still, but the analytic approaches will certainly deepen our understanding of gravitational waves from cosmological first-order phase transitions.
초기 우주에서의 일차 상전이 현상에 의한 통계적 중력파 발생에 대해 논의합니다. 최근 중력파 관측 기술의 발전은 다중 신호 천문학의 새로운 시대를 열었습니다. 근미래에 기대되는 초기 우주의 중력파 신호 관측은 고에너지 이론에 대한 새로운 통로로서 활용될 것입니다. 초기 우주에서의 일차 상전이 현상은 표준 모형의 확장에서 예측되는 다양한 중력파 원인 중 흥미로운 가능성입니다. 일차 상전이에 대한 여러 확장 모형들이 많은 관심을 받았음에도 불구하고, 상전이 현상의 구체적인 기술과 이를 통한 중력파 생성에는 채워져야 할 논리적 공백이 존재합니다. 그 예로는 우주를 구성하는 각 성분의 동역학 이해를 통한 중력파 생성 기여도 분석과 일차 상전이 현상을 이끄는 스칼라 장 거품 방울의 전파 속도 결정 등이 있습니다. 해당 문제들을 해결하기 위한 노력의 일환으로, 상전이를 효과적으로 기술하는 파라미터에 대해 중력파 에너지 스펙트럼의 이론적 계산과 유체 운동 분석을 통한 중력파 생성을 연구하였습니다. 특히, 매우 강한 일차 상전이 영역에 초점을 맞추었는데, 이는 강한 신호가 예측되는 것과 동시에 문제의 난이도로 인해 거의 다루어지지 않은 부분이기 때문입니다. 이 영역에서 예측되는 대표적인 성질인 거품 생성률의 새로운 형식과 중력파 에너지원으로서 유체 충격파를 각각 연구하였습니다. 먼저, 강한 일차 상전이 영역에서 거품 생성률에 대해 기존의 지수함수 근사를 적용하기 어려운 예시들이 존재합니다. 이를 포함하고 나아가 보다 일반적인 경우를 기술하기 위해, 거품 생성률의 지수에 이차 보정항을 더하여 중력파 에너지 스펙트럼에 미치는 영향을 탐구하였습니다. 해당 보정 효과는 스펙트럼의 뾰족한 정도로서 나타나는데, 향후 발전된 중력파 관측소에서 이러한 차이를 구분할 수 있을 것으로 기대됩니다. 다음으로, 미시적 상호작용에 의해 결정되는 마찰력으로 인해 거품 방울의 진행에 종단 속도가 존재한다고 하면, 배경에 존재하는 상대론적 입자들의 거시적 유체 운동이 중력파에 지배적인 기여를 하게 됩니다. 이때, 매우 강한 일차 상전이 영역에서는 유체의 거품 방울이 충격파를 형성하기 때문에, 충격파의 운동을 이해할 필요가 있습니다. 연구를 통해 비선형적 진행에 따른 충격파의 감쇄를 기술하는 방정식과 그 해를 찾아서 중력파 생성에 대한 의미를 분석하였습니다. 다양한 연구 과제와 앞으로 답해야 할 질문들이 남아있지만, 초기 우주에서의 일차 상전이 현상으로 인한 중력파 생성을 이론적 기술을 통해 접근하는 방식은 해당 연구 분야의 깊이 있는 이해를 도울 것입니다.
