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這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

2021-10-02由 姿勢分子knowledge 發表于 歷史

大約138億年前,我們的宇宙誕生於一次大爆炸。在大爆炸之前,宇宙還是一個奇點,所有的物質都集中在一個沒有體積的點內。它擁有著無限高的密度、溫度和時空曲率,能讓所有物理法則失效。而這,就是宇宙的起點。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

(圖片說明:宇宙大爆炸假想圖)

宇宙大爆炸&暴脹期

不知道是什麼原因,這個奇點突然發生了爆炸,將所有的物質釋放出來,我們的宇宙正式誕生了。

在大爆炸的一瞬間,宇宙的溫度高達1.4億億億億攝氏度。

隨著宇宙開始膨脹,這個溫度也在不斷下降。剛剛誕生的前1萬億分之一秒的時間裡,宇宙都處於極其混沌的狀態,並且溫度仍然維持在1萬億攝氏度以上。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

在大爆炸後,宇宙進入了一個非常詭異的時期——

暴脹期

。這是宇宙急劇膨脹的一個時期,膨脹的速度令人驚愕。

在不到10^-33秒的時間內,宇宙膨脹了2^100倍!

宇宙在暴脹期的驚人膨脹速度至今仍然令人百思不得其解,科學家們推測,那時候宇宙中還沒有任何物質,只有能量和暴脹子。暴脹子是一種非常特殊的標量場以及與這個場相耦合的微觀粒子,充斥在嬰兒宇宙中,它就是導致宇宙進入暴脹期的根本原因。

在暴脹期結束後,暴脹子就消失了。在今天的宇宙中,我們已經找不到暴脹子了,而這個概念目前也僅僅是個假設。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

對於如此早期的宇宙中所發生的事,科學家們一直充滿了好奇,卻又苦於無法親眼去見證,所以只能透過各種現代手段進行研究。

最直接的就是粒子對撞機,透過極端的環境模擬出極端的宇宙狀態。除此之外,也有科學家們利用計算機模擬,試圖再現當時的宇宙。

暴脹子團塊

最近,國外科學家們對暴脹期進行了一次模擬,發現了當時宇宙中的一種神秘結構。在急劇膨脹的模擬嬰兒宇宙中,他們看見了一個詭異的

暴脹子團塊

,這或許就是宇宙最早的結構。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

(圖片說明:本次研究中發現的詭異團塊)

為了獲得迄今為止最為詳細的模擬結果,研究人員使用了非常強大的計算機來進行模擬。結果令人興奮,他們以超高的解析度看到了此前科學家們從沒有看到的結果,還能夠理解這種嬰兒宇宙中詭異結構的大小和形狀,並且還驗證了40年前的一項理論。

在模擬的過程中,研究人員看到了在宇宙剛剛形成的時候,引力是如何將這些暴脹子約束成一個個團塊結構的。這種團塊結構是科學家們以前從來都沒有意識到的,它們的重量看起並不大,從幾克到20公斤不等,比一張郵票重一點,最重和一隻哈士奇差不多。

然而,

這種團塊非常密集,這些質量都被集中在比基本粒子還要小的空間內

。毫無疑問,這種團塊非常詭異,也非常複雜。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

(圖片說明:模擬結果的細節圖)

上圖是本次模擬的一張細節圖,時間就是宇宙暴脹期結束後的一瞬間。在這個時期,宇宙中充斥著這樣的暴脹子團塊。左上角的圖片展示的是初始狀態,右側的影象則是最終的狀態。影象中的區域已經被放大到了初始狀態體積的1000萬倍,但是仍然比一個質子還要小得多。左下角展示的是其中一個比較大的團塊,更是遠不如質子的體積,但質量卻有20公斤。

40年前的理論

奧克蘭大學物理學教授Richard Easther是本次研究的合作者之一,他興奮地說:“我們正在揭示最早期的宇宙中這種令人百思不得其解的複雜階段,這是人類正確理解這段時期的第一步。”

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

不僅如此,他還指出,這次模擬結果除了讓我們發現了此前從沒有見識過的結果,也和差不多40年前的一項理論不謀而合。

研究人員認為,本次模擬中所看到的這種團塊,或許是宇宙大爆炸的一瞬間所產生的能量場波動所形成的。

直到今天,我們還能看到這種能量波動的結果。在一百多億年前那個原始的宇宙,這種能量場的波動看起來是在相對更小的空間內出現的,但是隨著宇宙的膨脹,這種波動造成的結果也在更大的空間尺度上展現出來。科學家們已經在宇宙中觀測到了很多極其巨大的宇宙結構,有的甚至直徑達數十億光年,這就是早期宇宙的能量場波動導致的。

今天的宇宙中,已經沒有這些暴脹子團塊了,因為它們在宇宙中存在的時間遠遠不足一秒,很快就就轉變成了基本粒子。不過,它們的影響卻並沒有結束。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

這些團塊可能會在自身的引力下發生坍縮,這種坍縮來自於早期宇宙的超高密度和超高能量,因此並不受到質量本身的約束,可以打破規律,形成黑洞,這就是霍金在上個世紀70年代所預測的原初黑洞。

原初黑洞的質量並不大,通常只有10億噸,有的甚至比質子還小。但是,它們很可能充斥在宇宙中,所以整體質量非常驚人。甚至有人認為,今天佔據宇宙總質量85%的暗物質,其實就是這些原初黑洞。只不過這些黑洞體積過小,因此人類無法觀測到它們的存在。

對於那種最小的原初黑洞,它們很可能今天已經不復存在了,因為它們很容易在霍金輻射的機制中蒸發殆盡。不過,或許一些質量比較大的黑洞還可以殘留到今天,這是科學家們研究的關鍵。如果能夠找到這種黑洞,不僅可以驗證本次模擬的成果,更是能驗證霍金的理論。

這個奇形怪狀的氣塊,很可能是138億年前的最早宇宙結構

又或者,

這些暴脹子團塊因為密度過大,甚至超過了周圍空間的10萬倍,因此它們在空間中的移動會產生引力波。

目前,科學家們已經能夠利用引力波探測宇宙中緻密星的碰撞,未來也將可以檢測到更多模式的引力波。而本次模擬的結果,也有助於科學家們確定引力波探測的方向,或許可以找到暴脹子團塊,證明暴脹子的存在。

不管怎麼說,宇宙能夠在幾乎一瞬間膨脹2^100倍,不僅聽起來神奇,而且科學上也非常令人驚訝。到底是什麼機制讓宇宙能夠獲得這樣的暴脹期呢?相信科學家們終究會找到答案。

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