引力波背景的秘密


引力波背景的秘密


文章图片


引力波背景的秘密


我们的宇宙充满了谜团 , 成千上万的科学家凝视着夜空试图解开它 。 我们收集到的信息几乎完全来自对不同形式电磁辐射的分析 , 这些辐射不仅包括可见光 , 还包括伽马射线、x 射线、紫外线、红外光和微波形式的光 。 我们从这种分析中学到了很多东西 , 但这些光能揭示的事实只有这么多 。
事实上 , 存在一个我们几乎无法跨越的固有障碍 。 我们检测和分析的最古老的光来自大爆炸的38万年后:宇宙微波背景(CMB) 。 仅分析电磁辐射 , 我们无法获得比38万年前更年轻的宇宙的信息 。
但现在 , 我们已经在“看到”宇宙方面取得了飞跃 , 我们有机会看到宇宙在更早的时候的样子 。 根据最新的宇宙学模型 , 就像宇宙微波背景一样 , 预计也会有来自宇宙的引力波背景 。 引力波背景将在大爆炸的第一秒内发生 , 这将为我们提供宇宙更早期的图景 。 如果我们能够检测和分析这个引力波背景的数据 , 我们就可以揭示创造本身的秘密 。

类比如果你坐在一个海景房里 , 隔着玻璃望向大海 。 虽然你感觉不到风 , 但可以通过窗户观察到海面是平静的 , 这时你可以合理地得出结论:风一定是温和的 。 现在想象海浪开始变得波涛汹涌 , 房子里的观察者知道一定是在某个地方刮起了强风 。 远处的风暴会形成可以传播很远的强浪 , 所以大浪的原因可能是远处的风暴 , 也有可能是附近有强风 。 但是 , 我们仍然可以得出一个普遍的结论 , 即海上某处的风变得更强了 。 因此 , 观察海浪可以帮助我们了解远处可能的天气状况 。

这类似于引力波的情况 , 我们感觉不到引力波 , 但了解它的物理原理 , 我们可以很好地推测可能导致引力波的原因 。 在某些情况下 , 我们可以非常确定地知道这一点 。 现在想象一下 , 如果海上发生了地震 , 一段时间后 , 海啸袭击了海岸 。 如果我们仔细追踪海浪是如何在不同的地方撞击海岸 , 那么我们也可以通过海啸波来很好地了解地震发生的位置 。
这类似于我们目前对引力波的研究 , 我们正在研究相当于太空中海啸的壮观事件 , 它会产生非常强的引力波信号 。 通过分析这些信号 , 我们可以了解有关该事件的一些信息 , 例如该事件可能是两个黑洞的碰撞 。 我们目前的技术只能让我们检测到这些非常强的相当于海啸的信号 , 我们无法真正检测到低强度引力波 。 原则上 , 任何加速的质量都会产生引力波 , 这会产生太多的背景引力波噪音 , 因此只能检测到非常强的波 。
目前 , 我们的技术可以滤除一些背景噪音 , 但这些背景噪音并非完全无用 。 回到海上波浪的类比 , 实际上海面从来没有完全平静过 , 总是有一些小波浪 , 这就像背景噪音 , 但这种噪音有时可以揭示风和海洋的本质 。 引力波也有类似的情况 , 它也有微弱的背景噪音 , 为了找到引力波背景 , 我们需要检测到这一点 。
引力波背景过去我们主要依靠电磁波来观察宇宙 , 就像电磁波一样 , 引力波也以光速传播 。 这意味着你看越远 , 信号到达所需的时间就越长 。 我们可以检测到的最古老的电磁信号是来自非常早期宇宙的微波背景信号 , 当时它大约有38万年的历史 。 我们看不到大爆炸后38万年之前的任何东西 , 它就像一个信息防火墙 。
【引力波背景的秘密】但幸运的是 , 对我们来说 , 光不是唯一可以携带信息的东西 , 引力波也可以携带信息 。 引力波背景被认为是在大爆炸的第一秒内形成的 , 所以如果我们能探测到此时的引力波 , 它应该像微波背景一样存在于我们周围 , 它可能会告诉我们关于这个重要时代的一些信息 。

宇宙如何形成这些原始引力波?首先 , 我们无法确定这种引力波背景是否真的存在 , 但科学家认为很可能存在 。 形成的这种引力波的可能方式是 , 当组合的电弱力分裂成我们看到的两个单独的力时 , 这时希格斯场转变为非零最小值并变得巨大 。 与此同时 , 基本粒子通过与希格斯的相互作用获得了质量 。 这种从无质量到有质量的变化可能会产生引力波 , 如果我们能够检测到它 , 这可能会向我们揭示关于电弱跃迁性质的新物理学 。

推荐阅读