宇宙的初始状态是怎样的？只是暴胀子团块？这次实验或可揭示-天天热点评

来源: 科普中国 ┆ 时间: 2022-11-27 20:08:46

这里展示的是在宇宙大爆炸膨胀阶段出现的密集膨胀团块之一, 存在于宇宙初期。(图片来源:Jens Niemeyer/ Göttingen大学)

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这是对宇宙极小部分的超高分辨率模拟, 它比质子小100万倍, 并揭示了宇宙最早存在的结构, 但这些密集的结构很奇怪。大爆炸后的第一个万亿分之一秒，宇宙是一个热乎乎的地方，一个温度超过万亿度的地方。尽管科学家们无法直接观察到这一时刻，但他们可以用高性能的计算机模拟重现这一时刻。

新的模拟比以往任何时候都更详细，展示了在这些宇宙的最初阶段，引力是如何导致被称为暴胀子的量子粒子聚集在一起的。科学家们首次展示了这些块状物质如何形成复杂而密集的结构，其重量在几克到20公斤之间——大约比一张邮票重，但比一只斗牛犬轻, 它们挤在一个比基本粒子还小的空间里。

这是第一次模拟出足够多的细节，使科学家能够破译这些新生结构的大小和形状范围。此外，该研究的合著者、奥克兰大学的物理学教授理查德·伊斯特(Richard Easther)说，这些结果与一个近40年前的简单理论模型非常吻合。

“我们正在揭示宇宙早期这个极其复杂的阶段，并且才刚刚开始正确理解它。”

科学家们模拟了膨胀结束时的一个时期，在这一时期，宇宙的大小急剧膨胀。那时，宇宙只包含了能量和暴胀子——一种由大爆炸后充满整个空间的能量场形成的量子物质。

一项新的模拟显示，在早期宇宙膨胀阶段之后不久，微小的、密度极高的结构就开始增长。在初始态和最终态之间(分别为左上和右上)，所示的面积扩大到初始体积的1000万倍，但仍然比质子内部小很多倍。左下角放大的团块质量约为44磅(20公斤)。(图片来源:Jens Niemeyer/ Göttingen大学)

物理学家们认为，在模拟中看到的膨胀结构是大爆炸后能量场立即波动的结果。同样的场可能创造了我们今天看到的宇宙中跨度数十亿光年的大规模星系结构。

在模拟中看到的充满暴胀子的致密结构可能不会持续很长时间，因为它们可能在几分之一秒内变成基本粒子。但由于它们的高密度——其密度高达周围空间的10万倍——它们的运动和相互作用可能在时空结构中产生了称为引力波的涟漪。新的模拟将帮助科学家们精确计算这些引力波可能有多大，这将有助于未来在宇宙中寻找类似的波纹。

这些小块状物质也可能在自身重量的作用下坍缩，形成了宇宙中第一个黑洞，称为原始黑洞。一些科学家认为这样的黑洞很可能就是暗物质。暗物质是一种神秘的物质，没有人直接看到过，但构成了今天宇宙中85%的物质。物理学家在他们的模拟中没有看到任何黑洞，但他们计划在未来进行更长时间、更详细的模拟，以展示此类天体。

“原始黑洞是一种有趣的可能性, 它们可能会导致宇宙新的动向，但也会为测试模型提供新的处理方法，”理查德·伊斯特(Richard Easther)在给《生活科学》的一封电子邮件中写道。由于一些原始黑洞应该一直存在于现在的宇宙中，找到这样一个黑洞可以帮助验证科学家们关于宇宙初期的模型。