宇宙大爆炸的希望冲浪在一个未来航天器上

2024-04-21 09:09阅读：

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宇宙大爆炸的希望冲浪在一个未来航天器上
当欧洲发射激光干涉仪太空天线（LISA）时，物理学家和宇宙学家将有一个原始过程的新探测器。

FUNDAMENTAL PHYSICS

随激光干涉仪太空天线跟随地球环绕着太阳，这三个航天器可以感应来自宇宙的诞生期间的高能引力波。Merrill Sherman/Quanta Magazine

ByElise Cutts
Contributing Writer
April 17, 2024
几年前在日本的一次会议上，大卫·邓斯基参加了一场关于引力波的演讲，引力波是当大质量天体如恒星和黑洞加速时在空时的织造中创造的涟漪。
邓斯基当时是粒子物理学的研究生，他的兴趣似乎在另外的地方。粒子物理学家寻求支撑

我们熟悉的物理规则的更基本真理。他们长期以来已经用高能粒子对撞机来测试他们的想法。通过用深不可测的能量一起粉碎粒子，这些科学家能发现构建块的构建块——发生在短距离尺度上的高能现象。这些现象也告诉我们关于宇宙当它是微小的、密的而且难以置信热时的最早时刻，。
但邓斯基在演讲中了解到未来的引力波天文台如提议的激光干涉仪空间天线（LISA）可被用来探测高能物理学。激光干涉仪太空天线将能够探测叫宇宙弦的假想天体，这是宇宙的诞生期间可能已经发生的巨大的集中的能量的链。邓斯基现在是纽约大学的宇宙学家和粒子物理学家，他说，“我被勾在试图了解来自早期宇宙的引力波信号上，以及它们如何告诉我们关于非常非常高能的物理学潜在的远远超出我们目前能用一个对撞机的” 。
他将转向引力波作为一个在未来的激光干涉仪太空天线实验中例证越来越大兴趣向粒子物理学前进的方式，也许一个更广的转变。自粒子对撞机的最后一次重大发现以来已经过去了12年。2012年大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子完成了粒子物理的标准模型，已知的基本粒子和力的统治理论。尽管理论家们自此以来已经想出了一个可能的延伸标准模型理论的动物园，但我们能建造能够测试这些想法的对撞机是不清楚的。
马里兰大学的理论粒子物理学家拉曼孙德鲁姆说，“人们正在谈论在未来50年内建造能量是大型强子对撞机10倍的对撞机”。然而他说，测试大统一理论，跟踪标准模型的三种力到一个在更短距离运行的单个支撑力，“似乎会要一个是大型强子对撞机100亿倍的对撞机”。
我们在对撞机中无法产生的东西也许可以在自然界中观察到。具体来说，答案可能在于宇宙诞生的最初时刻所发生的过程的引力回声，当时宇宙的能量如此之大以至于标准模型之外的物理学将占据主导地位。

纽约大学粒子物理学家和宇宙学家邓斯基（David Dunsky）研究可能被激光干涉仪太空天线观测到的早期宇宙相变的指纹。Evie Dunsky
这是像邓斯基和孙德鲁姆一样粒子物理学家的希望，他们现在正期待激光干涉仪空间天线来测试他们的理论。该使命概念于20世纪80年代初被首次提出，并在随后的十年中正式向欧洲航天局（ESA）提出。该项目曾与美国宇航局合作过一段时间，但由于预算问题美国人2011年鞠躬退出，迫使欧洲来单独做它。然而，今年1月，激光干涉仪空间天线最后从欧空局获得了向前走，欧空局目前正在寻找行业合作伙伴来开始建造。宣布来自在2015年和2016年一个激光干涉仪空间天线探路者号试点使命回响的成功后，该使命测试了未来天文台的关键技术。
激光干涉仪空间天线现在被计划在2030年代中飞行。在四年的时间里，它的三颗卫星阵列将以一个约数百万英里宽的等边三角形翻滚过太空，反弹掉在每艘飞船内以完美保持的自由落体金色立方体激光来感受空时中的涟漪。
华盛顿大学的粒子物理学家和宇宙学家噶西亚（Isabel Garcia Garcia）说，“我们可能第一次实际上直接从宇宙的早期纪元”得到某些东西。她补充道，如果激光干涉仪空间天线真的能拾起原始引力波，这将是我们的第一次一瞥宇宙的第一时刻。“从粒子物理学的角度，这显然的令人难以置信的兴奋” 。
幸运的激光干涉仪空间天线
若激光干涉仪空间天线设法来在下个十年的某个时候探测到原始引力波，那将是由于超常的宇宙运气的一击。
从来没有望远镜揭示创造的第一时刻。望远镜通过探测正在从远外旅行的光看进宇宙的过去。但大爆炸后的第一个38万年被隐藏在某种宇宙帷幕后面。回到那时，宇宙中充满有电离的散射光子的等离子体，使它对光不透明。
与光不同，引力波可以自由的穿过早期宇宙涟漪。现有的地面天文台如激光干涉仪引力波天文台和处女座可能的对这些原始波不是敏感的。但在宇宙帷幕升起之前激光干涉仪空间天线也许能够听在舞台上发生了什么。
孙德鲁姆说，“这就像在雾中听什么”。
与地面引力波天文台一样，激光干涉仪空间天线将通过用激光来精确的测量沿它的“臂”的距离探测空中时的涟漪——在这个案例中，是在它的三角星座中的三个航天器之间的空的空间中的线。当一个引力波经过时它拉伸和收缩空时。这在激光干涉仪空间天线的臂长中创造一个略微的差异，该仪器能通过跟踪它的激光束的波峰和波谷的不对齐检测差异。远离地球的嘈杂环境，激光干涉仪空间天线将比激光干涉仪引力波天文台等现有干涉仪远更灵敏，激光干涉仪引力波天文台已被用来探测黑洞和中子星碰撞。它也将远更大；它的每个臂将比地球半径更长近400倍。
Merrill Sherman/Quanta Magazine; sources: ESA; Nicolas Douillet/ARTEMIS; NASA
甚至如此，激光干涉仪空间天线将感觉到的距离中的变化是极端小的——大约比一个原子更小50倍。欧空局天体物理学家、激光干涉仪空间天线项目科学家诺拉（Nora Lützgendorf）说，“如果你思考它，这是一个相当疯狂的概念”。
激光干涉仪空间天线的大小和灵敏度将允许它来观测比被地面干涉仪观测到的引力波远更长的引力波。激光干涉仪引力波天文台能传感波长在30到30000公里之间的引力波，但激光干涉仪空间天线能拾起长度从几十万公里到几十亿公里的引力波。这将让激光干涉仪空间天线监听在地面天文台不能“听到”的天体物理事件上，例如超大质量黑洞的合并（而不是恒星大小的黑洞）。激光干涉仪空间天线的波段也恰好刚好是物理学家期望从大爆炸后第一时刻产生的引力波大小。
早期宇宙中的高能物理学创造了引力涟漪，随着宇宙的膨胀和空间的拉伸，这些波被吹到巨大的维度。激光干涉仪空间天线恰好完美的摆出来捕捉被创造在宇宙大爆炸后第一个10＾−17到10＾−10秒内波浪的姿态——实际上时间的开始。这个范围的短端，10＾−17秒是一个如此短暂以致它会适合大约作为秒进入一个一秒钟许多次的宇宙的年龄的周期。
日内瓦大学和欧洲核子研究中心的理论宇宙学家奇亚拉·卡普里尼说，“这是一个偶然性”。有一个“在激光干涉仪空间天线的探测频带和在宇宙演化的这个特定纪元之间标志着我们粒子物理学的知识的前沿” 的匹配。
超越标准模型
到那个前沿，标准模型的解释它的17个基本粒子的群如何与三种力相互作用做一个极好的工作：电磁力、强核力和弱核力。但尽管它的巨大的成功，没有人认为这些粒子和力是全部和存在的终结全部。

马里兰大学的孙德鲁姆（Raman Sundrum）讨论引力波信号如何能够照亮高能粒子物理和宇宙膨胀。Deepak Sathyan
这个理论有它的缺陷。例如，希格斯玻色子的质量——决定其他粒子质量的标准模型的成分——是令人沮丧的“不自然的”。它出现任意的，与宇宙的远更大的能量尺度相比令人困惑的小。此外，标准模型没有提供暗物质解释，也没有解释推动太空加速膨胀的神秘暗能量。另一个问题是反物质和物质在标准模型的三种力下完全相同的行为——这显然不是全部故事，因为物质统治宇宙。然后有引力。标准模型完全的无视第四个基本力，它必须被用它自己的被讲的广义相对论描述。
比利时鲁汶天主教大学的理论宇宙学家奥克莱尔（Pierre Auclair）说，“如此很多像我这样的理论家一直试图来挤压标准模型一点并试图对它做出扩展”。但没有用它来检验它们的实验证据，这些扩展的理论仍然是理论性的。
奥克莱尔是一位理论家。他说，“但我仍在尽我能够的多被实验联系”。这也是他被吸引到激光干涉仪空间天线的原因之一。他说，“这些延伸通常导致早期宇宙中不同的极端事件”。
噶西亚同样说，激光干涉仪空间天线的高能物理学的观测证据的承诺让她来重新思考她的职业生涯——她说引力波可以“以一种其他实验能够的方式探测早期宇宙”。几年前，她开始研究引力波，以及超越标准模型的物理学如何留下被激光干涉仪空间天线可以检测到的指纹。

华盛顿大学的噶西亚（Isabel Garcia Garcia）最近一直在弄清楚气泡壁的可能的引力波签名。Andrea Kane/Institute For Advanced Study
去年，噶西亚和她的同事发表了关于气泡壁的引力波签名的工作。气泡壁是随宇宙冷却被困在不同状态中的空间口袋之间的能量屏障。这种冷却随宇宙膨胀发生。就像水沸腾并变成蒸汽一样，宇宙经历了相变。在标准模型中，单个在一个单独的“电弱”力分裂成电磁力和弱力期间的相变是相对平滑的。但邓斯基说，该理论的许多扩展预测会留下宇宙泡沫汤并受到干扰的暴力事件，，他还研究气泡壁一样的拓扑缺陷。
渗透我们的宇宙的量子场有最小的能态或基态。随宇宙冷却下来，新的更低能量基态发展了，但一个给定的场并不总立即的以它的新的基态着陆。一些被困在局部能量极小值中——只出现稳定的伪基态。然而，有时宇宙的一小片会量子隧道成真实状态，用一个以比宇宙外部更低的能量成核成一个快速膨胀的真实真空气泡。
邓斯基说，“这些气泡是非常高能的；由于在它们的内部和外部之间的压力差，它们正在以非常接近光速的速度移动。如此当它们碰撞时你得到这两个非常相对论的天体之间的剧烈碰撞，有点类似于黑洞如何刚好在碰撞前发射强引力波” 。
弦和壁
更推测性的是，早期宇宙中的相变也可能已经创造了叫宇宙弦和域壁的结构——分别的是密度能量的巨大链和片。
当一个量子场的基态以这样一种有比一个新基态更多的方式变化时这些结构发生，每个基态同等的实在。这能造成沿宇宙的口袋之间边界的恰好落入不同但同样有利的基态的高能缺陷。

日内瓦大学和欧洲核子研究中心的宇宙学家奇亚拉·卡普里尼（Chiara Caprini）研究由原始相变可能已经产生的引力波的形式。Tristan Paviot
已经研究了这一过程的可观察指纹的邓斯基说，这一过程有点像某些岩石随它们冷却发展自然磁性的方式。在高温下，原子被随机定向。但在冷的温度下，对它们磁性上对齐高能量上变得有利的——基态变化。没有一些外部磁场来定向原子，它们是自由的以任何方式排起队。所有的“选择”都是同样实在的，不同的矿物区域会偶然做出不同的选择。由所有原子产生的磁场在磁畴之间的边界上急剧的弯曲。
他说，同样宇宙的不同区域中的量子场“一定在这些域的边界上迅速变化”，造成这些边界上的大的能量密度，“标志一个域壁或宇宙弦的存在”。
如果这些宇宙弦和域壁存在，随着空间的膨胀它们实际上会已经延伸出去到整个宇宙。随扭结沿着这些天体传播和随环振荡并演变形成这些天体产生引力波。但这些波的能量尺度大多被设定为在宇宙的第一时刻形成的天体。激光干涉仪空间天线可以探测到它们，如果它们存在的话。
创造的回声
来自非常早期宇宙到达我们的引力波将不像黑洞碰撞的信号一样以整齐包装的啁啾声到达。因为它们在实践中发生的如此早，这些信号自此已经跨整个空间延伸出去。它们会一下子从空间的每个方向、每个点回声——一个背景引力嗡嗡声。
噶西亚说，“你打开你的探测器，它会一直在那里”。
孙德鲁姆说，在这种背景中的模式可能的“对普通人看起来就像噪音一样，但私下里有一个隐藏的密码” 。
一条重要的线索将是背景信号的频谱——它在不同频率下的强度。如果我们把引力波信号想象成声音，它的频谱将是音调对体积的一个图。奥克莱尔说，真正随机的白噪声会有一个平坦的频谱。但在相变期间释放的引力波或从宇宙弦或域壁投射的引力波在特定频率下最大声。奥克莱尔已经工作在计算宇宙弦的光谱签名上，当它们扭结和环进化时这扔出出特征波长的引力波。卡普里尼研究剧烈的相变如何会在引力波背景上留下它们的印记。
孙德鲁姆和他的同事在2018年概述并最近阐述的另一种方法是来尝试映射跨天空背景的总体强度。这将使我们寻找各向异性有可能，或者比平均值稍微更大一点或更安静一点的块。
卡普里尼说，“问题是，这种信号实际上已经有仪器噪声的相同特征。因此，整个问题是一旦我们检测到某种东西如何能够区分它。”

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激光干涉仪空间天线更像一个麦克风而不是望远镜。不是在某个特定方向中窥视，而是它一下子听整个天空。如果它们存在它将听到原始引力波。但它也听黑洞、中子星和我们银河系内许多对白矮星合并时的鸣叫声。为让激光干涉仪空间天线探测到一个原始引力波的背景，所有其他信号需要被仔细识别和去除。从早期宇宙中过滤出真实的信号就像在一个建筑工地上挑选出一股春天轻风的声音一样。
但孙德鲁姆选择是有希望的。他说，“做这项研究我们是不疯狂的，对实验学家这是艰难的。公众很难为需要被做的各种事情买单。理论家来计算他们的经过所有的不确定性和错误和背景等等是困难的” 。
但孙德鲁姆补充道，“这似乎是可能的。有点好运气” 。
”https://www.quantamagazine.org/hopes-of-big-bang-discoveries-ride-on-a-future-spacecraft-20240417/

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