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聆听大爆炸

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发表于 2021-8-22 01:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
聆听大爆炸[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]不二北斗
原理 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]1 week ago
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138亿年前,发生了一件奇妙的事情:宇宙中的一切都在大爆炸中被创造出来。一直以来,天文学家和物理学家都想知道,在宇宙诞生的最初时刻究竟发生了什么?这是困扰着众多科学家的最大谜团之一,但我们并没有一种简单的方法可以探索这个问题。

这个问题之所以如此困难,是因为早期宇宙中充满了致密的等离子体,将构成光的粒子——光子困在其中,使光子只能与它们发生剧烈碰撞而无法逃脱。直到大爆炸的约38万年后,随着宇宙的膨胀,这些等离子体的密度开始降低,光子终于获得了自由之身。这一事件被称为“复合”,它为我们带来了可通过望远镜观测到的宇宙最早“快照”——宇宙微波背景(CMB)。


                               
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普朗克卫星绘制的宇宙微波背景。| 图片来源:European Space Agency, Planck Collaboration

尽管宇宙微波背景为我们了解早期宇宙提供了大量线索,但对望远镜来说,“复合”事件就像一堵围墙,挡住了我们的视线,使我们无法直接看到更早时期宇宙中发生的事情。


                               
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幸运的是,除了光子之外,天文学家还可以用时空结构中的涟漪——引力波来”聆听“大爆炸。近年来,由LIGO/VIRGO引力波探测器探测到的引力波为观测宇宙打开了一扇新的窗口,为我们探索最早期宇宙的秘密创造了新的可能。

然而到目前为止,天文学家探测到的所有引力波,都可被归类为天体物理学引力波(Astrophysical gravitational wave)。这类引力波是由一些在“较近时期内”发生的物理过程产生的,比如双黑洞或中子星的并合。

天文学家一直想要探测到另一类引力波,即可能在早期宇宙中产生的宇宙学引力波(cosmological gravitational wave)。这类引力波在产生之后可以在宇宙中自由传播,它们就像幽灵一般,能够穿过“复合”墙,从而成为研究早期宇宙的独特工具。

这两种引力波有一些不同之处。已观测到的天体物理学引力波来自天空中的某个精确方向,而宇宙学引力波则来自所有可能的方向。这使得探测宇宙学引力波变得非常困难。但是,如果天文学家能够探测到这类宇宙学引力波,则会收获到巨大的回报。

早期宇宙中有许多可能产生宇宙学引力波的现象。例如,在大爆炸后的不到一秒内,宇宙经历了一次指数级的膨胀,即暴胀时期。在暴胀结束时发生了“预热”,能量从驱动了暴胀的未知粒子上,转移到了今天已知的粒子上。而在预热过程中,就会产生宇宙学引力波。此外,相变事件以及一些与目前未知的粒子(如轴子)有关的过程也可能产生宇宙学引力波。

因此,宇宙学引力波可以帮助我们获取大量关于宇宙诞生之初的信息,甚至有可能带来全新的物理学发现。


                               
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就像电磁波一样,引力波也是由许多不同的物体以不同的频率所辐射出来的。目前,正在运行的以及计划中的项目(比如脉冲星计时、地基和天基干涉仪)探索的引力波频率范围在纳赫兹和千赫兹之间。然而,从实验和理论的角度看,我们非常有必要寻找更高频率的引力波,比如在兆赫兹和吉赫兹频段之间。


                               
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几个正在运行的以及计划中的引力波探测器的探测波段大多集中在低频。|图片来源:http://gwplotter.com

从理论的角度而言,探索高频引力波的一个强大动机是,目前还没有哪个已知的天体,它的体积足够小、密度足够大能够发射频率超过10千赫兹的引力波。所以如果能够发现更高频率的引力波,就意味着产生这些引力波的源,要么是来自一些天文学家认为存在但从未被观测到的假想天体——玻色子恒星(由玻色子构成的恒星)和可能与暗物质构成有关的”太初黑洞“,要么就是正如刚才上文提到的来自早期宇宙的事件,如暴胀后的预热、相变或宇宙弦等。

绝大多数的高频信号可以立即带来关于粒子物理标准模型宇宙学标准模型所无法描述的粒子或现象的信息。而这两种模型是我们目前对自然的最佳描述,因此,一但作出发现,就将有望帮助我们阐明宇宙中一些尚未解决的问题,如暗物质的组成和暴胀的起源。

因此,若想要更好地了解宇宙早期发生了什么,天文学家将需要依靠高频探测器来寻找引力波,这样才可能为证明一些最令人惊奇的理论找到实际证据。

高频探测器有一些显而易见的优势。首先,探测器的大小需要与被探测的引力波波长成正比,因此,高频引力波探测器在设计上可以低频探测器要小得多,制造成本也低廉得多。以目前的LIGO为例,它有着长达4千米的臂长;而对于一个用于聆听大爆炸的高频引力波探测器来说,它可能小到足以放进一个普通人家的厨房。除了尺寸之外,在高频下,没有天体物理背景信号会干扰天文学家测量真正想测量的东西。

然而,探测高频引力波是很困难的。像LIGO这样的实验寻找的是由引力波引起的两个镜子之间的距离变化,这种距离变化极其微小,还不到原子核那么大。因此,有着更小尺寸的高频引力波探测器,则需要能够探测到更小的长度变化才行。

运用现有的技术,天文学家已经能够探测到高频范围内的微小变化。但若要真正探测到早期宇宙的引力波,一些技术还需要得到改善,这也是许多研究人员正在努力的方向。

这注定会是一段富有挑战的旅程。就像人们在20世纪70年代开始寻找天体物理引力波时那样——在耗费了近50年的时间和20多次尝试之后,天文学家终于得到了想要的结果,证明所有的努力和耐心是值得的。


#创作团队:
编译:不二北斗
#参考来源:
https://theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502
https://arxiv.org/pdf/2011.12414.pdf
http://indico.ictp.it/event/9006/session/28/contribution/129/material/slides/0.pdf
http://www.ctc.cam.ac.uk/activities/UHF-GW.php
#图片来源
封面来源:Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA


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