Abstract The 15 yr pulsar timing data set collected by the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) shows positive evidence for the presence of a low-frequency gravitational-wave (GW) background. In this paper, we investigate potential cosmological interpretations of this signal, specifically cosmic inflation, scalar-induced GWs, first-order phase transitions, cosmic strings, and domain walls. We find that, with the exception of stable cosmic strings of field theory origin, all these models can reproduce the observed signal. When compared to the standard interpretation in terms of inspiraling supermassive black hole binaries (SMBHBs), many cosmological models seem to provide a better fit resulting in Bayes factors in the range from 10 to 100. However, these results strongly depend on modeling assumptions about the cosmic SMBHB population and, at this stage, should not be regarded as evidence for new physics. Furthermore, we identify excluded parameter regions where the predicted GW signal from cosmological sources significantly exceeds the NANOGrav signal. These parameter constraints are independent of the origin of the NANOGrav signal and illustrate how pulsar timing data provide a new way to constrain the parameter space of these models. Finally, we search for deterministic signals produced by models of ultralight dark matter (ULDM) and dark matter substructures in the Milky Way. We find no evidence for either of these signals and thus report updated constraints on these models. In the case of ULDM, these constraints outperform torsion balance and atomic clock constraints for ULDM coupled to electrons, muons, or gluons.

The exploration of the universe has recently entered a new era thanks to the multi-messenger paradigm, characterized by a continuous increase in the quantity and quality of experimental data that is obtained by the detection of the various cosmic messengers (photons, neutrinos, cosmic rays and gravitational waves) from numerous origins. They give us information about their sources in the universe and the properties of the intergalactic medium. Moreover, multi-messenger astronomy opens up the possibility to search for phenomenological signatures of quantum gravity. On the one hand, the most energetic events allow us to test our physical theories at energy regimes which are not directly accessible in accelerators; on the other hand, tiny effects in the propagation of very high energy particles could be amplified by cosmological distances. After decades of merely theoretical investigations, the possibility of obtaining phenomenological indications of Planck-scale effects is a revolutionary step in the quest for a quantum theory of gravity, but it requires cooperation between different communities of physicists (both theoretical and experimental). This review, prepared within the COST Action CA18108 "Quantum gravity phenomenology in the multi-messenger approach", is aimed at promoting this cooperation by giving a state-of-the art account of the interdisciplinary expertise that is needed in the effective search of quantum gravity footprints in the production, propagation and detection of cosmic messengers.

The grand challenges of contemporary fundamental physics---dark matter, dark energy, vacuum energy, inflation and early universe cosmology, singularities and the hierarchy problem---all involve gravity as a key component. And of all gravitational phenomena, black holes stand out in their elegant simplicity, while harbouring some of the most remarkable predictions of General Relativity: event horizons, singularities and ergoregions. The hitherto invisible landscape of the gravitational Universe is being unveiled before our eyes: the historical direct detection of gravitational waves by the LIGO-Virgo collaboration marks the dawn of a new era of scientific exploration. Gravitational-wave astronomy will allow us to test models of black hole formation, growth and evolution, as well as models of gravitational-wave generation and propagation. It will provide evidence for event horizons and ergoregions, test the theory of General Relativity itself, and may reveal the existence of new fundamental fields. The synthesis of these results has the potential to radically reshape our understanding of the cosmos and of the laws of Nature. The purpose of this work is to present a concise, yet comprehensive overview of the state of the art in the relevant fields of research, summarize important open problems, and lay out a roadmap for future progress.

Using recent simulation results, we provide the mass and speed spectrum of cosmic string loops. This is the quantity of primary interest for many phenomenological signatures of cosmic strings, and it can be accurately predicted using recently acquired detailed knowledge of the loop production function. We emphasize that gravitational smoothing of long strings plays a negligible role in determining the total number of existing loops. We derive a bound on the string tension imposed by recent constraints on the stochastic gravitational wave background from pulsar timing arrays, finding $G\ensuremath{\mu}\ensuremath{\le}2.8\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}9}$. We also provide a derivation of the Boltzmann equation for cosmic string loops in the language of differential forms.

Cosmic string networks offer one of the best prospects for detection of cosmological gravitational waves (GWs). The combined incoherent GW emission of a large number of string loops leads to a stochastic GW background (SGWB), which encodes the properties of the string network. In this paper we analyze the ability of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) to measure this background, considering leading models of the string networks. We find that LISA will be able to probe cosmic strings with tensions Gμ ≳ (10−17), improving by about 6 orders of magnitude current pulsar timing arrays (PTA) constraints, and potentially 3 orders of magnitude with respect to expected constraints from next generation PTA observatories. We include in our analysis possible modifications of the SGWB spectrum due to different hypotheses regarding cosmic history and the underlying physics of the string network. These include possible modifications in the SGWB spectrum due to changes in the number of relativistic degrees of freedom in the early Universe, the presence of a non-standard equation of state before the onset of radiation domination, or changes to the network dynamics due to a string inter-commutation probability less than unity. In the event of a detection, LISA's frequency band is well-positioned to probe such cosmic events. Our results constitute a thorough exploration of the cosmic string science that will be accessible to LISA.