微弱的引力波可能來自時空的原始裂縫 _引力波

微弱的引力波可能來自時空的原始裂縫(Image credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library / Getty Images)
據(jù)美國太空網(wǎng)（By Paul Sutter）：早期宇宙可能是一個如此暴力的地方，以至于時空本身就像一塊玻璃一樣碎裂了。這些裂縫會釋放出大量的引力波，一組天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們可能已經(jīng)在時空結(jié)構(gòu)中探測到這些波紋。
該團(tuán)隊(duì)最近在提交給《計(jì)算天體物理學(xué)雜志》發(fā)表的一篇論文中報(bào)告了他們的結(jié)果，并發(fā)表在arXiv.org上(在新標(biāo)簽中打開)，他們聲稱他們已經(jīng)看到了早期宇宙中所謂的疇壁的證據(jù) 。
當(dāng)我們的宇宙異常年輕時，它也異常奇特。自然界的四種力量結(jié)合成一種單一的、統(tǒng)一的力量。我們不知道那種力看起來像什么，也不知道它是如何運(yùn)作的，但我們知道隨著宇宙的冷卻和膨脹，那種統(tǒng)一的力分裂成了我們今天所熟悉的四種力。首先是引力，然后是強(qiáng)核力分裂，最后是電磁力和弱核力相互分離。
隨著每一次分裂，宇宙完全重塑了自己。新粒子的出現(xiàn)取代了以前只能在極端條件下存在的粒子。時空的基本量子場決定了粒子和力如何相互作用，并重新配置了它們自己。我們不知道這些相變發(fā)生得有多順利或大致如何，但完全有可能隨著每一次分裂，宇宙立刻變成多重身份。
這種斷裂并不像聽起來那么奇特。各種相變都會發(fā)生，比如水變成冰。不同的水可以形成不同方向的冰分子。不管怎樣，所有的水都變成了冰，但是不同的區(qū)域會有不同的分子排列。在這些領(lǐng)域遇到墻壁，或缺陷，斷裂將出現(xiàn) 。
探索內(nèi)臟
物理學(xué)家對我們宇宙中所謂的GUT相變特別感興趣。GUT是“大統(tǒng)一理論”的縮寫，這是一種假設(shè)的物理模型，將強(qiáng)核力與電磁力和弱核力融合在一起。這些理論超出了目前實(shí)驗(yàn)的范圍，因此物理學(xué)家和天文學(xué)家轉(zhuǎn)向早期宇宙的條件來研究這一重要的轉(zhuǎn)變。
發(fā)生在宇宙剛誕生不到一秒鐘時的GUT相變，很可能留下了疇壁，即不同時空結(jié)構(gòu)之間的邊界網(wǎng)絡(luò) 。然而，這些缺陷不會持續(xù)很久。如果它們持續(xù)幾秒鐘，甚至幾分鐘，它們的強(qiáng)烈能量就會擾亂核合成過程，從而產(chǎn)生宇宙中所有的原始?xì)浜秃ぃ蛘吲で覀儗τ钪嫖⒉ū尘?CMB)的圖像，即大爆炸遺留的輻射。
因此，這組相互連接的疇壁必須衰變?yōu)槠渌Ｗ印词瞧胀Ｗ?nbsp;，如電子或夸克，要么是更奇特的粒子，如某種形式的暗物質(zhì) 。無論哪種方式，衰變過程，加上疇壁本身的波動運(yùn)動，都會釋放出大量的引力波，這些引力波可能會持續(xù)到今天的宇宙。

這張圖展示了基于大爆炸理論和膨脹模型的宇宙時間線。(Image credit: NASA/WMAP)
調(diào)查領(lǐng)域
那些引力波會非常微弱，用現(xiàn)有的地面引力波設(shè)備是不可能探測到的。但十多年來，世界各地的幾個天文學(xué)家小組一直在尋找脈沖星來繪制宇宙中晃動的引力波。
脈沖星是極其精確的計(jì)時物體，能夠?qū)⑺鼈兊墓?jié)奏保持在不到百萬分之一秒的水平。然而，如果引力波穿過我們和一組脈沖星之間，那將微妙地影響脈動的周期。通過長時間研究大量脈沖星，我們有望發(fā)現(xiàn)引力波背景泡沫的信號。
這些脈沖星計(jì)時陣列，像NANOGrav實(shí)驗(yàn)和歐洲脈沖星計(jì)時陣列，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了信號的跡象。大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，這個信號是由于數(shù)十億年來數(shù)百萬個超大質(zhì)量黑洞相互碰撞的共同作用。
但是新的研究呈現(xiàn)了一幅不同的畫面。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該信號也可以用早期宇宙中疇壁的衰減來解釋。他們的模型允許疇壁衰減足夠快，不會違反其他觀測結(jié)果，如CMB，同時仍然提供足夠強(qiáng)的信號來解釋脈沖星計(jì)時陣列數(shù)據(jù) 。
因?yàn)閿?shù)據(jù)中的信號非常微弱，并且沒有被證實(shí)來自任何特定的來源，所以這種激進(jìn)的提議是有空間的。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，未來的脈沖星計(jì)時測量應(yīng)該能夠?qū)⑺麄兊乃ネ水牨谀Ｐ团c碰撞超大質(zhì)量黑洞的傳統(tǒng)圖片區(qū)分開來。此外，如果他們的模型是準(zhǔn)確的，疇壁應(yīng)該衰變?yōu)檎；蛲鈦砹Ｗ?。無論哪種方式，這應(yīng)該可以通過未來更靈敏的CMB測量來檢測。
如果結(jié)果成立，這將是物理學(xué)的一個重大勝利:我們第一次發(fā)現(xiàn)了腸道相變的具體證據(jù) ，并開始了對物理學(xué)的新理解。

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