宇宙誕生之初模樣:1 萬億攝氏度的密集 “膨脹團”

2021/4/8 7:46:05 來源:新浪科技 作者:葉傾城 責編:遠洋

北京時間 4 月 8 日消息,對宇宙一小片物質(不足質子的 100 萬分之一)的超高分辨率模擬揭示了宇宙最初存在的結構,證實宇宙誕生時最初結構是密集的“膨脹團”。

圖中顯示的是大爆炸之后宇宙膨脹階段出現的稠密膨脹團,這就是宇宙誕生之初的模樣

在大爆炸之后的最初幾萬億分之一秒,宇宙是一個高溫、密集區域,溫度超過 1 萬億攝氏度,雖然科學家們無法直接觀察到這一時刻,但他們可以利用高性能計算機模擬重現該情景。

該最新模擬實驗比以往任何時候的實驗更加詳細,呈現了宇宙誕生之初引力是如何導致被稱為“膨脹體”的量子粒子聚集在一起,結果首次顯示了膨脹團是如何形成復雜而密集的結構,它們的重量在幾克至 20 公斤之間,大約比一張郵票重,但比一頭牛犬的體重輕,聚集在一個比基本粒子還小的空間中。

奧克蘭大學物理學教授理查德?伊斯特說:“該模擬實驗首次足夠清晰地顯示宇宙的詳細結構,科學家能夠破譯宇宙初期結構的大小和形狀范圍,此外,研究結果與一個已有近 40 年歷史的簡單理論模擬完全匹配,我們正在揭曉宇宙早期這個難以置信的復雜階段,人們對它的理解才剛剛開始。”

一項最新模擬實驗顯示,在宇宙早期膨脹階段之后不久,微小、密度極高的結構開始聚集。對比初始態和最終態之間(分別是左上圖和右上圖),所示區域已經擴大到其初始體積的 1000 萬倍,但仍然比質子內部小很多倍。放大的膨脹團在左下角,其質量約為 20 公斤。

該實驗模擬了宇宙誕生膨脹末期的狀況,在該時期宇宙體積急劇膨脹,當時宇宙僅包含能量和膨脹體,膨脹體是一種由大爆炸后充滿宇宙空間的能量場形成的量子物質。物理學家認為,模擬實驗中看到的膨脹結構是大爆炸后能量場漲落造成的,同樣的磁場很可能創造了現今宇宙中數十億光年直徑的大規模星系結構。

在模擬實驗中看到的充滿膨脹體的宇宙致密結構可能不會持續太長時間,因為它們可能在不足 1 秒的時間內就變成了基本粒子,但由于它們的高密度性,其密度是周圍空間的 10 萬倍,它們的運動和相互作用可能在時空結構中產生稱為引力波的漣漪。最新模擬實驗將幫助科學家精確計算這些引力波可能有多強,這將有助于未來的實驗在宇宙中尋找類似的漣漪。

同時,這些膨脹體也可能在自身重量作用下坍塌,形成宇宙中首個黑洞,即原始黑洞。一些科學家認為,此類黑洞很可能是暗物質的候選者,暗物質是宇宙中一種神秘物質,迄今科學家未直接觀測到,但它構成了當今宇宙 85% 的物質。物理學家們在模擬實驗中未發現任何黑洞,但他們計劃下步展開時間更長、更詳細的模擬實驗,從而揭曉暗物質和黑洞的神秘面紗。

伊斯特說:“原始黑洞具有一定研究價值,它可能有助于發現黑洞的新特征,也為測試模型提供新的方法,由于一些原始黑洞會持續存在于現今的宇宙中,發現一個原始黑洞將有助于驗證科學家們關于宇宙初期的特征狀況。”3 月 22 日,他和研究同事將該研究報告發表在《物理評論 D》雜志上。

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關鍵詞:宇宙

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