Gravitational waves (GWs) have the potential to probe the entirety of cosmological history due to their nearly perfect decoupling from the thermal bath and any intervening matter after emission. In recent years, GW cosmology has evolved from merely being an exciting prospect to an actively pursued avenue for discovery, and the early results are very promising. As we highlight in this paper, spectral distortions (SDs) of the cosmic microwave background (CMB) uniquely probe GWs over six decades in frequency, bridging the gap between astrophysical high- and cosmological low-frequency measurements. This means SDs will not only complement other GW observations, but will be the sole probe of physical processes at certain scales. To illustrate this point, we explore the constraining power of various proposed SD missions on a number of phenomenological scenarios: early-universe phase transitions (PTs), GW production via the dynamics of SU(2) and ultralight U(1) axions, and cosmic string (CS) network collapse. We highlight how some regions of parameter space were already excluded with data from COBE/FIRAS , taken over two decades ago. To facilitate the implementation of SD constraints in arbitrary models, we provide GW2SD. This tool calculates the window function, which easily maps a GW spectrum to an SD amplitude, thus opening another portal for GW cosmology with SDs, with wide reaching implications for particle physics phenomenology.

中文翻译：

---

弥合差距：光谱扭曲遇到引力波

引力波 (GW) 具有探索整个宇宙学历史的潜力，因为它们与热浴和发射后的任何介入物质几乎完美脱钩。近年来，GW宇宙学已经从一个令人兴奋的前景发展为一个积极追求的发现途径，早期的结果非常有希望。正如我们在本文中强调的那样，宇宙微波背景 (CMB) 的光谱畸变 (SD) 独特地探测了超过 60 个频率的 GW，弥合了天体物理学高频和宇宙低频测量之间的差距。这意味着 SD 不仅将补充其他 GW 观测，而且将成为特定尺度物理过程的唯一探测。为了说明这一点，我们探讨了各种提议的 SD 任务对许多现象学场景的约束力：早期宇宙相变 (PT)、通过 SU(2) 和超轻 U(1) 轴子的动力学产生 GW，以及宇宙弦 (CS)网络崩溃。我们强调了一些参数空间区域是如何被 COBE/FIRAS 的数据排除在外的，这些数据是在 20 多年前获取的。为了便于在任意模型中实现 SD 约束，我们提供了 GW2SD。该工具计算窗口函数，可以轻松地将 GW 光谱映射到 SD 幅度，从而为具有 SD 的 GW 宇宙学打开另一个门户，对粒子物理现象学具有广泛的影响。我们强调了一些参数空间区域是如何被 COBE/FIRAS 的数据排除在外的，这些数据是在 20 多年前获取的。为了便于在任意模型中实现 SD 约束，我们提供了 GW2SD。该工具计算窗口函数，可以轻松地将 GW 光谱映射到 SD 幅度，从而为具有 SD 的 GW 宇宙学打开另一个门户，对粒子物理现象学具有广泛的影响。我们强调了一些参数空间区域是如何被 COBE/FIRAS 的数据排除在外的，这些数据是在 20 多年前获取的。为了便于在任意模型中实现 SD 约束，我们提供了 GW2SD。该工具计算窗口函数，可以轻松地将 GW 光谱映射到 SD 幅度，从而为具有 SD 的 GW 宇宙学打开另一个门户，对粒子物理现象学具有广泛的影响。