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10^-33秒内,宇宙膨胀了1亿亿亿倍,科学家追溯宇宙暴胀期历史

10^-33秒内,宇宙膨胀了1亿亿亿倍,科学家追溯宇宙暴胀期历史
2021年02月27日 21:13 新浪网 作者 我是姿势分子

  根据目前的理论,我们的宇宙诞生于一次138亿年前的大爆炸。通过这次大爆炸,我们的宇宙演化成了今天的模样。

  

  (图片说明:宇宙大爆炸模型)

  科学家指出,在大爆炸之前,我们宇宙中所有的能量和物质都集中在一个奇点内。因为没有体积,因此奇点的密度无限大,时空曲率也无限大。

  大约138亿年前,由于一个未知的原因,这个奇点突然发生了大爆炸,所有的物质和能量喷薄而出。经过了大约138亿年的时间,宇宙的直径已经膨胀到了940亿光年,并且完全没有停止的迹象。

  你可能会问:宇宙中的光速是不可超越的,为什么宇宙膨胀速度却可以?这难道不违背相对论吗?

  

  科学家指出:作为有质量的物质,的确不可能达到光速。但是作为空间本身,因为既没有能量又不携带任何信息,因此空间的膨胀是不受这个限制的。而在这个空间里的天体也并不是本身超过了光速,只是随着空间本身进行着移动,所以超过光速也是没什么违背物理定律的。

  实际上,宇宙的膨胀速度远远超过了我们的想象。尤其是在大爆炸初期,它还经历了一个非常特殊的时期,那就是所谓的暴胀期。

  暴胀期持续的时间非常非常短,科学家目前认为暴胀期开始于大爆炸后的10^-36秒,到了大爆炸后10^-33秒时间就结束了。这个时间比所谓的一瞬间还要短不知多少个数量级,但宇宙在这么短的时间内却膨胀了1亿亿亿倍!

  

  如今的宇宙膨胀速度,已经比暴胀时期慢得多了,今天的宇宙之所以能如此巨大,与暴胀期有着密不可分的关系。

  然而,暴胀期持续的时间太短了,而且又十分遥远,这让我们很难了解这段时期真正发生的事情。更重要的是,当时的宇宙处于非常非常极端的物理学状态,更加给我们的研究带来了巨大的挑战。

  宇宙的演化,尤其是暴胀期的演化,一直是科学家们最最好奇的问题之一,日本国家天文台(NAOJ)的宇宙学家Masato Shirasaki也不例外。最近,他带领着自己的团队通过计算机模拟的方式,尝试了解这段不为人知的历史。凭借着一台超级计算机的强大运算能力,他们模拟了4000个虚拟宇宙,从而实现宇宙时间的倒带,带领我们看到最遥远的宇宙历史。

  

  他介绍说:“我们希望能够进行一些尝试,从最新的图片中推测我们的宇宙在婴儿时期的模样。”

  根据天文学家的观测,我们的宇宙看起来并不是在每一个位置上都绝对均匀的,有一些区域分布着由大量星系所组成的星系团甚至超星系团,但在某些区域也存在着大尺度的空旷地带,星系密度远远小于宇宙的平均值。这个现象看起来有点诡异,就好像你在吃口香糖吹泡泡时,发现吹出来的泡泡形状完全不规则一样。

  科学家认为,造成这种现状的根本原因,来自于早期宇宙。在宇宙大爆炸的时候,就已经在部分区域出现了轻微的量子涨落,或者说是能量的随机性的小范围变化。

  

  然而,随着宇宙不断膨胀,空间越来越大,这样的小范围变化也会在空间尺度上被放大。在这个过程中,那些密度较大的点被拉成了丝,向周围的空间延伸,就像是抻面一样。这些拥有物质或能量更多的丝就成了其他物质的附着点,星际物质会聚集到这里,形成一个一个的星系,构成了星系团或者是超星系团。

  这个过程看起来好像已经很清晰了,但由于引力的作用实际上非常复杂,所以这个过程中仍然有很多科学家难以理解的地方。为了能够还原宇宙在婴儿时期的模样,科学家们不得不在方程中将这些引力扰动给去除掉。

  

  (图片说明:宇宙膨胀历程演化图,本次研究则是从右往左,即从今天向过去倒序推演)

  庆幸的是,研究人员已经找到了一种重建的方法。也就是说,通过他们的方法,我们可以将今天的宇宙进行反推,追溯到早期宇宙,这对于我们了解宇宙演化历史来说无疑是一个好消息。然而随后的问题是:该如何验证呢?

  其实很简单,那就是运行一遍。虽然在真实的宇宙中,这是不可能的,但是通过计算机,我们还是有望来进行一次倒带的。

  在日本国家天文台,有一台名为ATERUI II的超级计算机,研究人员就是利用它来进行测试的。在测试过程中,他们一共创建了4000个虚拟的宇宙,它们在模拟过程的起点分别有着不同的密度波动。

  

  接下来,他们开始运行模拟过程,让这些虚拟的宇宙自由膨胀、发展。在模拟结束后,研究人员将自己的重建工具代入到超级计算机中,然后对这4000个膨胀后的宇宙进行倒推模拟,看看它们是否能够恢复到最初的模样。

  结果令人非常兴奋,正如Shirasaki所说的那样:“我们发现,有一种重建的方法能够减少引力对我们所观测到的星系分布所造成的影响,这就使得我们能够通过一种非常有效的渠道,从我们这个宇宙的初始条件中挖掘出有用的信息。”

  他还介绍道:其实这样的重建方法已经在现实宇宙中的星系数据得到了应用,而根据他们这一次的模拟可以证明,该方法同样适用于对宇宙暴胀期的历史追溯。

  

  接下来,这项研究还会应用于宇宙中真正的网状结构的研究,随着像斯隆数字巡天这样先进的观测加入进来,我们将会对宇宙的演化历史有更加深入的了解。宇宙的形成和早期演化,正在一点点地抽丝剥茧,呈现在我们的面前。

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