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凝视天空足够长的时间,宇宙就开始像夜晚的城市。星系呈现出街灯杂乱无章地散布在暗物质周围的特征,这些暗物质由沿着星际虚无的海岸的气体高速公路连接起来。
这张宇宙图是预先确定的,是在大约138亿年前的大爆炸引发时空膨胀之后的量子物理瞬间的微微颤动中绘制出来的。
然而,这些波动到底是什么,以及它们如何使物理学中看到原子聚集到我们今天看到的庞大宇宙结构中的运动还远远不清楚。
对宇宙膨胀时期进行新的数学分析后发现,即使在充满婴儿宇宙的沸腾量子炉中,也可能存在某种结构,这可以帮助我们更好地了解其今天的布局。
来自德国哥廷根大学和新西兰奥克兰大学的天体物理学家使用粒子运动模拟和一种引力/量子模型的混合来预测在发生充气后粒子凝结中结构是如何形成的。
这种建模的规模令人难以置信。我们所谈论的是,在宇宙只有10^-24秒大的时候,重达20公斤的物体挤入了几乎只有10^-20米的空间。
“由我们的模拟代表的物理空间可以容纳一百万个质子。” 哥廷根大学的天体物理学家詹斯·尼迈耶(Jens Niemeyer)说,“到目前为止,这可能是对宇宙最小区域的最大模拟。”
我们对宇宙存在的早期阶段所了解的大多数内容都是基于这种数学侦查。我们仍然可以看到的穿过宇宙闪烁的最古老的光是宇宙背景辐射(CMB),到那时整个宇宙演化已经进行了大约30万年。
但是在那古老的辐射微弱的回声中,有一些线索正在发生。
宇宙背景辐射(CMB)的光是从热的浓稠能量场中以基本粒子结合成原子的形式发出的,这就是所谓的重组时代。
这张覆盖整个天空的背景辐射图显示,我们的宇宙在几十万年前就已经具有某种结构。有稍微凉一些的地方和略暖一些的地方,可能会把物质带入一些区域,这些区域最终会看到恒星光、星系旋转以及质量聚集到我们今天所看到的宇宙城市中。
这提出了一个问题。
构成我们宇宙的空间正在膨胀,这意味着宇宙必须曾经小得多。因此,有理由认为,我们现在所看到的一切都被塞入一个超狭窄的空间,以至于无法出现这种温暖和凉爽的斑点。就像在炉子里喝杯咖啡一样,任何部分都无法在再次加热之前先冷却下来。
提出了膨胀时期作为解决此问题的方法。在宇宙大爆炸的万亿分之一秒内,我们的宇宙跃升了疯狂的数量,基本上冻结了任何量子尺度的变化。
眨眼间说这件事仍然是不公平的。它会在大爆炸之后的10^36秒左右开始,到10^32秒结束。但它足够长的时间足以让空间迅速成比例,以防止温度的细微变化再次平滑。
研究人员的计算着眼于膨胀后的短暂瞬间,证明了当时从量子波泡沫中凝结的基本粒子如何产生短暂的物质光晕,其密度足以使时空本身起扭曲。
“这种结构的形成,以及它们的运动和相互作用,必定会产生引力波的背景噪声。” 这项研究的第一作者,哥廷根大学天体物理学家本尼迪克特·埃格梅尔(Benedikt Eggemeier)说,“借助我们的仿真,我们可以计算出这种引力波信号的强度,将来可能可以测量到。”
在某些情况下,大量此类物体可能会将物质拉入原始的黑洞,这些物体被认为有助于暗物质的神秘拉动。
这些结构的行为模仿了当今我们宇宙的大规模团簇,但这并不一定意味着它直接导致了当今恒星、气体和星系的分布。
但是,那些新鲜出炉的粒子之间展开的复杂物理现象仍可能在天空中可见,在闪烁着的灯光和黑暗的虚空的滚动景观中,我们称之为宇宙。
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