引力波——让我们看到“真实的”大爆炸
通过引力波看到“真实的”大爆炸
一位艺术家对大爆炸的诠释
（图片来源：© Scott Wiessinger（USRA）：首席制作人， Aaron E. Lepsch（ADNET）：技术支持，Krystofer Kim（USRA）：首席动画师）
宇宙在最早期也是最重要的时期，释放了大量的引力波，就像时空结构中的微小涟漪。
现在，新的研究表明了，未来对这些原始引力波的探测，可以揭示一个被称为再加热过程的内部运作机制，而这很可能是“真实”大爆炸的起源。
天文学家们还不确定当宇宙诞生不到一秒的时间内到底发生了什么，但他们知道这必定是一件不寻常的事。
宇宙学观测表明，根据大爆炸的标准图片和已知的宇宙年龄，宇宙在最大尺度上过于平滑和均匀了。尽管相隔数十亿光年，宇宙遥远区域的温度也是大致相同的。但在宇宙历史上，这些区域按说还没有足够长的时间进行热量交换。
为了解释这些观察结果，宇宙学家一度怀疑在很久以前，宇宙中那些遥远区域之间的距离要近得多，这使得它们在被分开之前能够达到一个共同的温度。为了完成“一飞冲天”的任务，宇宙学家将这一事件理论化为暴涨。
在暴涨之前，宇宙非常小，温度和密度也是均衡分布的。但随后发生了暴涨，在很短的时间内所有东西相互飞离，这就解释了为什么宇宙中即使非常遥远的区域看起来也几乎是一样的。
暴涨甚至在宇宙诞生不到一秒时就已经发生了，这一事件持续时间不到十亿分之一秒的十亿分之一。但就在那极其短暂的时间内，宇宙变得比之前大了数十亿倍（或许还大个几十亿倍）。
天文学家们已经在宇宙微波背景中观察到的特定光模式中看到了暴涨的证据，这是在宇宙只有38万年历史时留下的辐射信息。但除此之外，天文学家们还不确定是什么触发了暴涨，是什么让暴涨继续，又是什么让它停止的。
有点热
现代宇宙学中最大的谜团之一是暴涨过程结束时到底发生了什么。你看，暴涨过程（不管它是什么）真的很擅长把事物变得平滑，让事物变大并让一切都冷静下来。所以，在暴涨过程结束后不久，宇宙就变大、变冷、变空了——这绝对不应该是我们在早期宇宙中观察到的情况。
相反，在暴涨后不久，宇宙就充满了炽热、疯狂的粒子汤，宇宙学家认为，要做到这一点，任何驱动暴涨的物质都会衰变，释放能量，并用我们今天所知道和喜爱的大量粒子重新加热（现在大得多的）宇宙。
将这种再加热过程视为“真正的”大爆炸是完全公平的——这种机制表明暴涨的宇宙逐渐充满了粒子和辐射。
观察这个再加热过程和暴涨本身是非常困难的。主要是因为当宇宙小于 380,000 岁时，它是不透明的等离子体。我们根本无法看到比这更远的过去——至少没有光。
感受地球的移动
但是暴涨和再加热过程并不仅仅让宇宙充满了能量和辐射，它们同时还释放了大量的引力波。引力波就像时空结构中以光速传播的涟漪。现在，引力波正全方位冲你而来，包括合并黑洞、超新星以及宇宙中各种其他高能量、高密度现象。
而现在冲你而来的还有暴涨和再加热过程留下的引力波。这些过程产生了足以震动时空本身的巨大能量，而那些引力波——被称为“原始”引力波——今天仍在宇宙中脉动。
多年来，宇宙学家一直在研究暴涨可能释放的引力波信号。但最近发布到预印本数据库 arXiv的最新研究更深入的研究了暴涨结束时的再加热过程。研究人员发现，不同的再加热模型会在原始引力波中产生非常明显的、潜在的检测特征。
例如，我们不知道再加热是缓慢的、温和的还是更突然的。这两种假设情景将产生非常不同的引力波特征。
这些原始引力波的频率太低，我们目前的探测器还没法观测的到，例如美国的激光干涉仪引力波观测台和欧洲的Virgo干涉仪。但未来的天基观测站，如欧洲航天局提议的激光干涉仪空间天线和宇宙大爆炸观测站，将专门设计用于搜寻原始引力波。
直接观察这些原始引力波将为暴涨过程提供铁证如山的证据，并帮助我们理解其中的物理原理。根据这项新的研究，我们还将得到关于再加热、暴涨结束以及产生我们今天所知的宇宙的详细物理学线索。
BY: Paul Sutter
FY: 追风的星星
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