宇宙诞生之初模样:1 万亿摄氏度的密集 “膨胀团”

时间:2021-04-08 15:24 来源:IT之家 作者:叶倾城

北京时间 4 月 8 日消息,对宇宙一小片物质(不足质子的 100 万分之一)的超高分辨率模拟揭示了宇宙最初存在的结构,证实宇宙诞生时最初结构是密集的“膨胀团”。

图中显示的是大爆炸之后宇宙膨胀阶段出现的稠密膨胀团,这就是宇宙诞生之初的模样

在大爆炸之后的最初几万亿分之一秒,宇宙是一个高温、密集区域,温度超过 1 万亿摄氏度,虽然科学家们无法直接观察到这一时刻,但他们可以利用高性能计算机模拟重现该情景。

该最新模拟实验比以往任何时候的实验更加详细,呈现了宇宙诞生之初引力是如何导致被称为“膨胀体”的量子粒子聚集在一起,结果首次显示了膨胀团是如何形成复杂而密集的结构,它们的重量在几克至 20 公斤之间,大约比一张邮票重,但比一头牛犬的体重轻,聚集在一个比基本粒子还小的空间中。

奥克兰大学物理学教授理查德・伊斯特说:“该模拟实验首次足够清晰地显示宇宙的详细结构,科学家能够破译宇宙初期结构的大小和形状范围,此外,研究结果与一个已有近 40 年历史的简单理论模拟完全匹配,我们正在揭晓宇宙早期这个难以置信的复杂阶段,人们对它的理解才刚刚开始。”

一项最新模拟实验显示,在宇宙早期膨胀阶段之后不久,微小、密度极高的结构开始聚集。对比初始态和最终态之间(分别是左上图和右上图),所示区域已经扩大到其初始体积的 1000 万倍,但仍然比质子内部小很多倍。放大的膨胀团在左下角,其质量约为 20 公斤。

该实验模拟了宇宙诞生膨胀末期的状况,在该时期宇宙体积急剧膨胀,当时宇宙仅包含能量和膨胀体,膨胀体是一种由大爆炸后充满宇宙空间的能量场形成的量子物质。物理学家认为,模拟实验中看到的膨胀结构是大爆炸后能量场涨落造成的,同样的磁场很可能创造了现今宇宙中数十亿光年直径的大规模星系结构。

在模拟实验中看到的充满膨胀体的宇宙致密结构可能不会持续太长时间,因为它们可能在不足 1 秒的时间内就变成了基本粒子,但由于它们的高密度性,其密度是周围空间的 10 万倍,它们的运动和相互作用可能在时空结构中产生称为引力波的涟漪。最新模拟实验将帮助科学家精确计算这些引力波可能有多强,这将有助于未来的实验在宇宙中寻找类似的涟漪。

同时,这些膨胀体也可能在自身重量作用下坍塌,形成宇宙中首个黑洞,即原始黑洞。一些科学家认为,此类黑洞很可能是暗物质的候选者,暗物质是宇宙中一种神秘物质,迄今科学家未直接观测到,但它构成了当今宇宙 85% 的物质。物理学家们在模拟实验中未发现任何黑洞,但他们计划下步展开时间更长、更详细的模拟实验,从而揭晓暗物质和黑洞的神秘面纱。

伊斯特说:“原始黑洞具有一定研究价值,它可能有助于发现黑洞的新特征,也为测试模型提供新的方法,由于一些原始黑洞会持续存在于现今的宇宙中,发现一个原始黑洞将有助于验证科学家们关于宇宙初期的特征状况。”3 月 22 日,他和研究同事将该研究报告发表在《物理评论 D》杂志上。

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