婴儿宇宙_婴儿宇宙是什么意思

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探寻婴儿宇宙的原初引力波在高能物理“沙漠”中寻找“绿洲”
目前，人类探索宇宙起源的主要科技手段是搜寻来自宇宙创生时期的时空涟漪，也就是原初引力波。这是因为原初引力波就是宇宙大爆炸的创世余晖，它就像留声机一样忠实地记录了宇宙在古早时期所发生的一切。
近日，在一项最新的科学研究中，中国科学技术大学蔡一夫教授所带领的国际合作团队发现了婴儿宇宙处在高能物理的“沙漠”能区时，存在着发生原初引力波非线性共振的理论现象。
在一些原本被认为几乎不可能被探明的宇宙起源理论模型中，原初引力波的信号可以通过这个非线性的现象过程，被共振放大4至6个数量级，甚至可以更大，从而被原初引力波探测器所检测到。这就犹如在深谷中高声语，未见其人，已闻其声。这一最新研究成果为目前国际上正在积极推进的原初引力波探测实验建设提供了重要的科学目标；同时也为搜寻超出粒子物理标准模型的高能新物理打开了一扇窗口。
该研究成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。
高能物理的“沙漠”能区
我们的宇宙，犹如一名正在成长的孩童，夜幕下能看得见的那些璀璨繁星都是依附在物质和暗物质共同组成的大尺度结构这一宇宙“骨骼”上生长出来的。
不妨闭上眼睛想象一下，如果逆着时间之矢追根溯源，宇宙中所有的物质和暗物质，都曾经以极为微小的基本粒子形态存在于婴儿时期的宇宙中。由于那时的宇宙温度远远高于现在，因此描绘这些基本粒子的物理属性已经超出了目前教科书上所介绍的知识范畴，这也就意味着当时宇宙所发生和所经历的一切都属于粒子物理标准模型之外的高能区新物理。与此同时，由于当前人类科技能力的约束，在高能物理实验中能制备的或者能触及的最高温度（也就是能标），远远低于婴儿时期的宇宙能标。这就导致了人类想要探明这片陌生的物理世界时变得十分被动。因此，科学家常常将这一时期称为高能物理的“沙漠”能区。
这些时空波动的幅度大小直接由婴儿时期的宇宙能标所决定的，所以是否有机会探测到这些时空波动的关键，就是看人类能否触及到当时的宇宙能标。
引力波探测也是人类寻找超出粒子物理标准模型新物理的手段之一。引力波探测的科学目标，还有相变引力波、原初黑洞诱生引力波等。除了原初引力波外，其他科学目标要么离高能物理的“沙漠”能区相差甚远，探测不到新物理；要么其背后的物理还存在着理论上的不确定性。只有原初引力波存在的前提假设，只需热大爆炸宇宙学说成立即可，而这一点早已被多个宇宙学观测所佐证。因此，对原初引力波的科学探索成为了人类走出婴儿宇宙的“沙漠”能区并找到新物理的关键线索。
“少了”原初引力波的暴胀学说
作为宇宙起源的主流学说，同时也是高能区新物理的代表性学说，暴胀宇宙的学术观点认为，我们的宇宙在大爆炸创生之后约10-30秒的一瞬间，体积被急剧地放大了约1080倍。这个时候的宇宙生机勃勃，不断快速地自我复制繁殖，并迅速成长壮大。
这一观点能够从科学观测上找到蛛丝马迹：宇宙在婴儿时期所形成的原初物质以及伴随产生的量子涨落，最终演化形成了大尺度结构，正如本文开端所提到的夜幕繁星和这背后看不见的暗物质等结构，恰好跟人类目前所能探明的大尺度结构不谋而合；此外，原初物质分布决定了今天的宇宙温度，原初的量子涨落也决定了今天的宇宙温度当中存在着涟漪，这恰好为人类的微波探测技术提供了另一个探究婴儿宇宙的重要线索，即宇宙微波背景辐射天图。
然而，暴胀学说的另一个重要预言——原初引力波，却迟迟未能在科学探测中被捕获。不过，2017年诺贝尔物理学奖花落双黑洞并合所产生的引力波实验发现者，为人类进一步寻找原初引力波注入了强大的科研信心。因此，目前原初引力波已成为了国内外多个宇宙学实验的重点搜寻对象。一旦人类能够成功捕获原初引力波，将为宇宙是否发生过极早期的暴胀过程进行盖棺定论性的检验，并能精确测定超出粒子物理标准模型的高能区新物理所发生的能标。然而，如前文所述，如果暴胀恰好发生在婴儿宇宙的高能物理“沙漠”能区，高于当前人类能触及的最高能标，也就是对撞机实验能标，但又远远低于相互作用大统一的理论能标（一般认为这个理论能标是新物理封顶的最高能标），那么相应产生的原初引力波信号幅度会变得非常小，几乎不可能被目前的宇宙学探测技术所察觉。因此传统的学术观点认为，在这个能区范围去搜寻原初引力波以及它背后的新物理将是“不可能完成的任务”。
新物质场“放大”原初引力波
在此次研究中，蔡一夫国际团队引入了一个具有参数共振演化行为的重场，这个新引入的物质场并不会对背景演化以及当前的宇宙学观测进行干扰，但是它可以与原初引力波发生非线性的相互耦合，这样就可以为原初引力波的共振增益提供充足的能量来源。并且，由于暴胀背景演化的特殊动力学性质（慢滚暴胀动力学），导致了被引入的重场和传统的原初物质扰动之间几乎互不干扰。因此，这就确保了暴胀学说与当前的宇宙学观测能够保持完美的契合。在上述研究论文中，作者通过构造一个具体的模型，精准地论证了即便婴儿宇宙是在超出粒子物理标准模型的“沙漠”能区经历的暴胀过程，也能够产生足够大的原初引力波，从而理论上说明高能物理的“沙漠”也可能存在生机盎然的新物理“绿洲”。
值得一提的是，根据该研究的预分析，通过非线性共振过程产生原初引力波的新理论起源机制有望在将来的宇宙微波背景辐射偏振实验当中进行观测检验，这类实验是通过在宇宙微波背景辐射的偏振天图中进行观察分析其图像信息来提取原初引力波信号。这就为当前正在如火如荼地发展当中的原初引力波探测实验，如中国的阿里原初引力波实验等，提供了重要的科学目标。
（作者：王晴晴 系中国科学技术大学物理学院天文学系博士生）
来源： 科技日报
根据法新社的最新报道，在距离地球120亿光年之外的地方，科学家们发现了一个类似于银河系的星系，它也是目前发现的最遥远的类银河系，它有着一个闪烁的金色光环，看起来非常的稳定。研究认为，新发现的这个星系，或许会颠覆过去的宇宙早期理论。




科学家发现“婴儿”类银河系
我们都知道，我们在夜晚地球的夜空中看到的恒星，它们普遍都来自于遥远的银河系深处，即使是距离我们最近的一颗恒星，它和地球之间的距离也有4.2光年，这意味着，当我们看到它的时候，看到的是它4.2年之前发出的光芒。
星系也是如此。这次发现的这个星系距离地球大约有120亿光年，这代表科学家看到的是120亿年前的它，这个时候的它还是一个“婴儿”星系。



而且更加不可思议的是，从宇宙的年龄推算，当时的宇宙年龄不足15亿岁，从现有的早期宇宙理论角度来说，当时的宇宙还不具备拥有稳定星系的能力，因为当时的各种星系都还处于形成期，那么，这个星系又是如何出现的呢？
科学家将这个星系取名为SPT0418-47，发现这个星系和银河系一样，都拥有一个旋转的隆起星盘，其中也分布着密密麻麻的恒星，唯一不同的是，它作为宇宙中的最早星系之一，它非常的稳定，和现在的宇宙早期理论相悖。
因为对比和SPT0418-47星系类似的银河系，银河系作为宇宙的第一批星系之一，它诞生的早期同样是非常混乱的一种状态，银心周围的恒星也都并不“成熟”，不像SPT0418-47星系给人一种“稳重”的感觉。




宇宙早期理论是怎样的？
在此前的研究中，科学家们普遍认为：早期宇宙中的所有星系都是动荡和不稳定的。这是因为科学家认为，当大爆炸发生后，宇宙早期曾经经历过很长一段时间的不稳定期。
我们都知道，所谓的星系，就是由大量的恒星系统、星际尘埃、气体云、暗物质等组成的一个庞大运行系统。
在此前科学家们的研究中，认为星系的诞生是在宇宙大爆炸发生后，当宇宙中的各类微尘等形成大量的球状星团后，此后在一段漫长的不稳定期之中，这些球状星团彼此撞击毁灭，最终受到引力的作用，聚集组合在一起，形成了一个星系。



此外，通过计算机建模分析，科学家们认为，第一批星系诞生的时间，大约是在宇宙大爆炸发生后的10亿年，注意，这里是诞生的时间，因为从诞生到稳定下来，也是至少需要数亿年时间的，因为在这之中，还要经历早期宇宙的冷却、暴涨等阶段。
在发现SPT0418-47星系之前，此前科学家们也曾发现过距离地球上百亿光年的星系，光是NASA的哈勃太空望远镜，就曾经至少发现过上千个来自于宇宙早期的“婴儿”星系，不过，这些星系看起来都并不如SPT0418-47稳定。
所以，科学家们才会认为，宇宙早期的星系都是混乱不堪的，就好像太阳系刚形成的时候，太阳系也是非常混乱的一样。




这项研究有哪些意义？
参与这项观测研究的科学家表示，这次的发现是非常惊人的，因为这意味着，即使是在宇宙早期，宇宙也并不像我们想象中的那么混乱，而且星系出现的时间很可能要比我们此前猜想中的早很多，与现有的早期宇宙理论是相互矛盾的。
至于为何SPT0418-47星系会如此稳定，看起来就好像是一个“成熟”运行多年的星系一样，科学家们认为，还有一种可能就是，宇宙第一批星系出现的时间，很可能要比宇宙早期理论中提到的要早。
比方说在大爆炸发生后的5亿年左右，可能第一批星系就已经出现了，因为目前人类的科学技术水平还不够领先，所以我们还没有发现那么早的星系，未来伴随着更加高精尖的观测仪器上空，或许这些谜团也都将一一被揭开。



科学家表示，未来极可能会通过对SPT0418-47星系的研究，以此来揭开早期宇宙的真相，同时在宇宙中继续寻找类似的星系，最好同样是“婴儿”星系，这样可以通过它们的稳定性，来彻底改写宇宙早期理论，让人们对于宇宙有一个更加真实的了解，让我们一起拭目以待吧！

资料来源
《参考消息》8月13日文章《外媒：120亿光年之外发现“婴儿期”类银河系星系》