引力波——讓我們看到“真實的”大爆炸

透過引力波看到“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）：首席製作人， Aaron E。 Lepsch（ADNET）：技術支援，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到底發生了什麼，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於平滑和均勻了。儘管相隔數十億光年，宇宙遙遠區域的溫度也是大致相同的。但在宇宙歷史上，這些區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佈的。但隨後發生了暴漲，在很短的時間內所有東西相互飛離，這就解釋了為什麼宇宙中即使非常遙遠的區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發生了，這一事件持續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，宇宙變得比之前大了數十億倍（或許還大個幾十億倍）。

天文學家們已經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，這是在宇宙只有38萬年曆史時留下的輻射資訊。但除此之外，天文學家們還不確定是什麼觸發了暴漲，是什麼讓暴漲繼續，又是什麼讓它停止的。

有點熱

現代宇宙學中最大的謎團之一是暴漲過程結束時到底發生了什麼。你看，暴漲過程（不管它是什麼）真的很擅長把事物變得平滑，讓事物變大並讓一切都冷靜下來。所以，在暴漲過程結束後不久，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，在暴漲後不久，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，並用我們今天所知道和喜愛的大量粒子重新加熱（現在大得多的）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於 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並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。現在，引力波正全方位衝你而來，包括合併黑洞、超新星以及宇宙中各種其他高能量、高密度現象。

而現在衝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訊號。但最近釋出到預印本資料庫 arXiv的最新研究更深入的研究了暴漲結束時的再加熱過程。研究人員發現，不同的再加熱模型會在原始引力波中產生非常明顯的、潛在的檢測特徵。

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生非常不同的引力波特徵。

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，例如美國的鐳射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鐳射干涉儀空間天線和宇宙大爆炸觀測站，將專門設計用於搜尋原始引力波。

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，並幫助我們理解其中的物理原理。根據這項新的研究，我們還將得到關於再加熱、暴漲結束以及產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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