這里展示的是在宇宙大爆炸膨脹階段出現(xiàn)的密集膨脹團(tuán)塊之一, 存在于宇宙初期。(圖片來源:Jens Niemeyer/ G?ttingen大學(xué))

這是對(duì)宇宙極小部分的超高分辨率模擬, 它比質(zhì)子小100萬倍, 并揭示了宇宙最早存在的結(jié)構(gòu), 但這些密集的結(jié)構(gòu)很奇怪。大爆炸后的第一個(gè)萬億分之一秒，宇宙是一個(gè)熱乎乎的地方，一個(gè)溫度超過萬億度的地方。盡管科學(xué)家們無法直接觀察到這一時(shí)刻，但他們可以用高性能的計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)這一時(shí)刻。

新的模擬比以往任何時(shí)候都更詳細(xì)，展示了在這些宇宙的最初階段，引力是如何導(dǎo)致被稱為暴脹子的量子粒子聚集在一起的。科學(xué)家們首次展示了這些塊狀物質(zhì)如何形成復(fù)雜而密集的結(jié)構(gòu)，其重量在幾克到20公斤之間——大約比一張郵票重，但比一只斗牛犬輕, 它們擠在一個(gè)比基本粒子還小的空間里。

這是第一次模擬出足夠多的細(xì)節(jié)，使科學(xué)家能夠破譯這些新生結(jié)構(gòu)的大小和形狀范圍。此外，該研究的合著者、奧克蘭大學(xué)的物理學(xué)教授理查德·伊斯特(Richard Easther)說，這些結(jié)果與一個(gè)近40年前的簡(jiǎn)單理論模型非常吻合。

“我們正在揭示宇宙早期這個(gè)極其復(fù)雜的階段，并且才剛剛開始正確理解它?！?/p>

科學(xué)家們模擬了膨脹結(jié)束時(shí)的一個(gè)時(shí)期，在這一時(shí)期，宇宙的大小急劇膨脹。那時(shí)，宇宙只包含了能量和暴脹子——一種由大爆炸后充滿整個(gè)空間的能量場(chǎng)形成的量子物質(zhì)。

一項(xiàng)新的模擬顯示，在早期宇宙膨脹階段之后不久，微小的、密度極高的結(jié)構(gòu)就開始增長(zhǎng)。在初始態(tài)和最終態(tài)之間(分別為左上和右上)，所示的面積擴(kuò)大到初始體積的1000萬倍，但仍然比質(zhì)子內(nèi)部小很多倍。左下角放大的團(tuán)塊質(zhì)量約為44磅(20公斤)。(圖片來源:Jens Niemeyer/ G?ttingen大學(xué))

物理學(xué)家們認(rèn)為，在模擬中看到的膨脹結(jié)構(gòu)是大爆炸后能量場(chǎng)立即波動(dòng)的結(jié)果。同樣的場(chǎng)可能創(chuàng)造了我們今天看到的宇宙中跨度數(shù)十億光年的大規(guī)模星系結(jié)構(gòu)。

在模擬中看到的充滿暴脹子的致密結(jié)構(gòu)可能不會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樗鼈兛赡茉趲追种幻雰?nèi)變成基本粒子。但由于它們的高密度——其密度高達(dá)周圍空間的10萬倍——它們的運(yùn)動(dòng)和相互作用可能在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了稱為引力波的漣漪。新的模擬將幫助科學(xué)家們精確計(jì)算這些引力波可能有多大，這將有助于未來在宇宙中尋找類似的波紋。

這些小塊狀物質(zhì)也可能在自身重量的作用下坍縮，形成了宇宙中第一個(gè)黑洞，稱為原始黑洞。一些科學(xué)家認(rèn)為這樣的黑洞很可能就是暗物質(zhì)。暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)，沒有人直接看到過，但構(gòu)成了今天宇宙中85%的物質(zhì)。物理學(xué)家在他們的模擬中沒有看到任何黑洞，但他們計(jì)劃在未來進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間、更詳細(xì)的模擬，以展示此類天體。

“原始黑洞是一種有趣的可能性, 它們可能會(huì)導(dǎo)致宇宙新的動(dòng)向，但也會(huì)為測(cè)試模型提供新的處理方法，”理查德·伊斯特(Richard Easther)在給《生活科學(xué)》的一封電子郵件中寫道。由于一些原始黑洞應(yīng)該一直存在于現(xiàn)在的宇宙中，找到這樣一個(gè)黑洞可以幫助驗(yàn)證科學(xué)家們關(guān)于宇宙初期的模型。

相關(guān)知識(shí)

黑洞是時(shí)空展現(xiàn)出極端強(qiáng)大的引力，以致于所有粒子、甚至光這樣的電磁輻射都不能逃逸的區(qū)域。廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)，足夠緊密的質(zhì)量可以扭曲時(shí)空，形成黑洞；不可能從該區(qū)域逃離的邊界稱為事件視界。雖然，事件視界對(duì)穿越它的物體的命運(yùn)和情況有巨大影響，但對(duì)該地區(qū)的觀測(cè)似乎未能探測(cè)到任何特征。在許多方面，黑洞就像一個(gè)理想的黑體，它不反光。

星系是由恒星、恒星遺骸、星際氣體、塵埃和暗物質(zhì)等組成，并受到引力綁定的系統(tǒng)。Galaxy 這個(gè)詞源于希臘 galaxias，字面的意思是“銀河”。星系的大小從只有幾億顆恒星的矮星系到擁有上兆顆恒星的巨大星系，都繞著其質(zhì)量中心運(yùn)行。銀河系是包括地球在內(nèi)的太陽系所在的星系。銀河系以外的星系被合稱為河外星系。

BY:Mara Johnson-Groh

FY: Angelina Yang Gong

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