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引力波暗示一个关于大爆炸的“超酷”秘密

(2024-08-24 09:30:19)

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引力波暗示一个关于大爆炸的“超酷”秘密

By Robert Lea

published 13 hours ago

科学家们可能正在揭示物理学的新方面的轨道上。

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两个合并的星系用引力波设定空时铃衰的示意图。 (Image credit: NASA/CXC/A.Hobart)

2023年，物理学家们敬畏的来发现在空间和时间的织造——统一为一个叫空时的实体中几乎不能直觉的涟漪。它们是与叫“脉冲星计时阵列”的快速自旋中子星的集合相关联发现中的涟漪

在我们的宇宙中这种低频的引力波背景嗡嗡声最初被归因到一个大爆炸后不久发生的一个变化或“相变”。然而，新的研究对这一假设投下疑问。

西安交通大学助理教授安德鲁佛列（Andrew Fowlie）在一份声明中说，“理论家和实验学家已经推测纳赫兹引力波源自宇宙大爆炸后很快发生的一个已知过渡，一个产生了所有已知基本粒子的质量的变化。然而，我们的工作揭开否则提诉它们的起源的解释的严重问题” 。

相变是在一种物质的属性中的突然变化，它们典型的当一个特定物质达到一个临界温度时发生。相变可能对我们最熟悉的是随温度降至冰点以下水成冰的过渡。还有所谓的“超冷”过渡。对水当物质被“卡”在它的液相中时一个超冷过渡发生，减缓它的转化为冰。

许多科学家相信在时间的非常一开始发生了一个“一阶相变”，引发引力波或空时中涟漪的发动。因此专家们认为这些波可以被用来确定在我们宇宙中第一个快速膨胀的纪元期间存在的条件，甚至可能是大爆炸之前存在的条件。

只是一个相？

引力波的概念追溯回到阿尔伯特·爱因斯坦的1915年的叫“广义相对论”的引力理论。这位伟大的物理学家的巨著理论预测有质量的天体对空时的非常织造有一个翘曲效应。该理论陈述我们的引力的物理体验从这种翘曲发生。

广义相对论也比这一点走的更远，它还提示当天体加速时它们在空时中产生涟漪也就是引力波。尽管当到我们在地球上看到的物体加速时这种现象是忽略不计的，但当加速度涉及大质量天体如黑洞和中子星时这种影响变得重大的。

例如，当这些天体存在于双星系统中时——这意味着两个天体恒定的围绕彼此加速——它们持续的发射引力波直到它们最终碰撞并发射一个这些涟漪的高音调的“尖叫”为止。

此外，引力波像电磁辐射一样以一个频率范围而来。高频引力波像高频光一样，有更短波长并且是高能量的，低频引力波有更长的波长并且有更少的能量。低频长波引力波也有很长的“周期”，这指波的一个峰值通过一个设定点到下一个峰值经过该点之间的时间。

引力波谱的一个描述图。 (Image credit: NASA Goddard Space Flight Center)

2023年6月，由北美纳赫兹引力波天文台（NANOGrav）脉冲星定时阵列检测到的引力波频率比在来自由激光干涉仪引力波天文台、处女座和卡格拉（KAGRA）常规检测到的超大质量黑洞和中子星合见到的引力波更低。

这意味着对这些低频纳赫兹引力波一定有一个不同的来源。主要嫌疑？一个刚好在大爆炸后的相变，正确的是一个超冷相变。

佛列解释说，“我们发现了要已经创造了有如此微小频率的波，这种过渡会不得不是超冷的”。

然而，有一个问题。在被大爆炸引发的快速宇宙膨胀（换句话说宇宙膨胀）期间这种宇宙超冷过渡相会有点不被预料到。

佛列说，“这些缓慢的过渡将挣扎来完成，因为过渡速率比宇宙的膨胀速率更慢。如果过渡在最后加速起来是什么呢？我们计算出即便这已经帮助了过渡到结束，它也会将波的频率从纳赫兹移开” 。

研究人员还补充说，尽管纳赫兹引力波是凉的，但它们起源可能不是“超冷”的。

佛列说，“如果这些引力波确实来自一阶相变，我们现在知道一定有某些新的、远更丰富的物理学在发生——关于我们还不知道的物理学”。

艺术家的一个脉冲星的阵列被一个遥远星系中超大质量黑洞双产生的引力涟漪影响的解释。 (Image credit: Aurore Simonnet/NANOGrav)

佛列和同事相信，他们的研究证明需要更多的来了解超冷相变的关注，尤其是那些可能已经在宇宙的开始时发生的。

他说，“因为这些是必需的缓慢过渡，通常的是否过渡完成的简化是不起作用的。在过渡的能量尺度和波的频率之间的联系中有很多微妙性，因此当考虑引力波和超冷过度时我们需要更仔细的和更复杂的技术”。

“了解这个领域将帮助我们了解关于宇宙的起源的最基本问题” 。