引力波——讓我們看到“真實的”大爆炸

通過引力波看到“真實的”大爆炸

一位藝術家對大爆炸的詮釋

（圖片來源：? Scott Wiessinger（USRA）：首席制作人， Aaron E. Lepsch（ADNET）：技術支持，Krystofer Kim（USRA）：首席動畫師）

宇宙在最早期也是最重要的時期，釋放了大量的引力波，就像時空結構中的微小漣漪。

現(xiàn)在，新的研究表明了，未來對這些原始引力波的探測，可以揭示一個被稱為再加熱過程的內(nèi)部運作機制，而這很可能是“真實”大爆炸的起源。

天文學家們還不確定當宇宙誕生不到一秒的時間內(nèi)到底發(fā)生了什么，但他們知道這必定是一件不尋常的事。

宇宙學觀測表明，根據(jù)大爆炸的標準圖片和已知的宇宙年齡，宇宙在最大尺度上過于平滑和均勻了。盡管相隔數(shù)十億光年，宇宙遙遠區(qū)域的溫度也是大致相同的。但在宇宙歷史上，這些區(qū)域按說還沒有足夠長的時間進行熱量交換。

為了解釋這些觀察結果，宇宙學家一度懷疑在很久以前，宇宙中那些遙遠區(qū)域之間的距離要近得多，這使得它們在被分開之前能夠達到一個共同的溫度。為了完成“一飛沖天”的任務，宇宙學家將這一事件理論化為暴漲。?

在暴漲之前，宇宙非常小，溫度和密度也是均衡分布的。但隨后發(fā)生了暴漲，在很短的時間內(nèi)所有東西相互飛離，這就解釋了為什么宇宙中即使非常遙遠的區(qū)域看起來也幾乎是一樣的。

暴漲甚至在宇宙誕生不到一秒時就已經(jīng)發(fā)生了，這一事件持續(xù)時間不到十億分之一秒的十億分之一。但就在那極其短暫的時間內(nèi)，宇宙變得比之前大了數(shù)十億倍（或許還大個幾十億倍）。

天文學家們已經(jīng)在宇宙微波背景中觀察到的特定光模式中看到了暴漲的證據(jù)，這是在宇宙只有38萬年歷史時留下的輻射信息。但除此之外，天文學家們還不確定是什么觸發(fā)了暴漲，是什么讓暴漲繼續(xù)，又是什么讓它停止的。

有點熱

現(xiàn)代宇宙學中最大的謎團之一是暴漲過程結束時到底發(fā)生了什么。你看，暴漲過程（不管它是什么）真的很擅長把事物變得平滑，讓事物變大并讓一切都冷靜下來。所以，在暴漲過程結束后不久，宇宙就變大、變冷、變空了——這絕對不應該是我們在早期宇宙中觀察到的情況。

相反，在暴漲后不久，宇宙就充滿了熾熱、瘋狂的粒子湯，宇宙學家認為，要做到這一點，任何驅動暴漲的物質都會衰變，釋放能量，并用我們今天所知道和喜愛的大量粒子重新加熱（現(xiàn)在大得多的）宇宙。

將這種再加熱過程視為“真正的”大爆炸是完全公平的——這種機制表明暴漲的宇宙逐漸充滿了粒子和輻射。

觀察這個再加熱過程和暴漲本身是非常困難的。主要是因為當宇宙小于 380,000 歲時，它是不透明的等離子體。我們根本無法看到比這更遠的過去——至少沒有光。

感受地球的移動

但是暴漲和再加熱過程并不僅僅讓宇宙充滿了能量和輻射，它們同時還釋放了大量的引力波。引力波就像時空結構中以光速傳播的漣漪?，F(xiàn)在，引力波正全方位沖你而來，包括合并黑洞、超新星以及宇宙中各種其他高能量、高密度現(xiàn)象。

而現(xiàn)在沖你而來的還有暴漲和再加熱過程留下的引力波。這些過程產(chǎn)生了足以震動時空本身的巨大能量，而那些引力波——被稱為“原始”引力波——今天仍在宇宙中脈動。

多年來，宇宙學家一直在研究暴漲可能釋放的引力波信號。但最近發(fā)布到預印本數(shù)據(jù)庫 arXiv的最新研究更深入的研究了暴漲結束時的再加熱過程。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的再加熱模型會在原始引力波中產(chǎn)生非常明顯的、潛在的檢測特征。

例如，我們不知道再加熱是緩慢的、溫和的還是更突然的。這兩種假設情景將產(chǎn)生非常不同的引力波特征。

這些原始引力波的頻率太低，我們目前的探測器還沒法觀測的到，例如美國的激光干涉儀引力波觀測臺和歐洲的Virgo干涉儀。但未來的天基觀測站，如歐洲航天局提議的激光干涉儀空間天線和宇宙大爆炸觀測站，將專門設計用于搜尋原始引力波。

直接觀察這些原始引力波將為暴漲過程提供鐵證如山的證據(jù)，并幫助我們理解其中的物理原理。根據(jù)這項新的研究，我們還將得到關于再加熱、暴漲結束以及產(chǎn)生我們今天所知的宇宙的詳細物理學線索。

BY: Paul Sutter

FY: 追風的星星

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