可以排除宇宙暴涨吗?

天体物理学杂志快报(2022)。 DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b0e” width=”800″ height=”530″>
高频 GW 的 CGB 随机背景应变,以及正文中讨论的各种探测器概念的敏感性。 红线(“EMC”)指的是增强的磁转换,更透明的扩展指的是正文中讨论的潜在的未来技术改进。 图片来源:天体物理学杂志快报(2022 年)。 DOI: 10.3847/2041-8213/ac9b0e

一个天体物理学家团队说,宇宙膨胀——时空呈指数膨胀时宇宙处于婴儿期的一个点,以及物理学家在谈论“大爆炸”时真正指的是什么——原则上可以以一种无假设的方式排除.

来自剑桥大学、特伦托大学和哈佛大学的天体物理学家表示,宇宙中有一个明确、明确的信号可以消除暴胀的可能性。 他们今天发表在《天体物理学杂志快报》上的论文认为,这种被称为宇宙引力子背景 (CGB) 的信号是可以检测到的,尽管这将是一项巨大的技术和科学挑战。

“从理论上讲,通货膨胀可以解释所谓的‘热大爆炸’模型的各种微调挑战,”该论文的第一作者 Sunny Vagnozzi 说,他隶属于剑桥大学卡夫利宇宙学研究所和特伦托大学。 “它还解释了量子涨落导致我们宇宙结构的起源。”

“然而,宇宙暴胀的可能模型所表现出的巨大灵活性,跨越了无限的宇宙学结果,引起了人们对宇宙暴胀不可证伪的担忧,即使可以排除个别暴胀模型。原则上是否有可能测试宇宙暴胀?以与模型无关的方式膨胀?” 瓦格诺齐问道。

2013 年,普朗克卫星发布了对宇宙最古老的光——宇宙微波背景 (CMB) 的首次测量结果,一些科学家提出了对宇宙膨胀的担忧。

“当普朗克卫星的结果公布时,它们被认为是宇宙膨胀的确认,”哈佛大学天文学教授、瓦格诺齐新论文的合著者阿维勒布说。 “然而,我们中的一些人认为结果可能恰恰相反。”

与 Anna Ijjas 和 Paul Steinhardt 一起,勒布是认为普朗克的结果表明暴胀带来的谜题比它解决的更多的人之一,是时候考虑关于宇宙起源的新想法了,例如,可能不是从一声巨响开始,而是从先前收缩的宇宙中反弹。

普朗克发布的 CMB 地图代表了人类可以“看到”的宇宙中最早的时间,比第一颗恒星形成早 1 亿年。 我们不能看得更远。

勒布说:“可观测宇宙的实际边缘是在宇宙诞生以来的 138 亿年里,任何信号都可能以光速极限传播的距离。” “由于宇宙膨胀,这个边缘目前位于465亿光年之外。这个边界内的球形体积就像以我们为中心的考古挖掘:我们越深入它,越早是一层我们发现的宇宙历史,一直追溯到代表我们终极视界的大爆炸。在视界之外的东西是未知的。”

“通过研究被称为中微子的近失重粒子,有可能进一步挖掘宇宙的起源,中微子是宇宙中质量最丰富的粒子。宇宙允许中微子在大约一秒钟后自由传播而不会散射大爆炸,当时的温度是 100 亿度。今天的宇宙一定充满了那个时代的中微子,”Vagnozzi 说。

Vagnozzi 和 Loeb 说,我们可以通过追踪引力子(介导引力的粒子)来进一步追溯。

“宇宙对引力子是透明的,可以追溯到已知物理学最早的瞬间,普朗克时间:10 次方 -43 秒,当时温度是可以想象的最高温度:10 次方 32 度,”勒布说。 “对之前发生的事情的正确理解需要量子引力的预测理论,而我们不具备这种理论。”

Vagnozzi 和 Loeb 说,一旦宇宙变得对引力子透明,就应该产生一个温度比绝对零高出略低于 1 度的热引力辐射遗迹背景:宇宙引力子背景 (CGB)。

然而,大爆炸理论不允许 CGB 的存在,因为它表明新生宇宙的指数膨胀将 CGB 等遗迹稀释到无法检测到的程度。

研究小组说,这可以变成一个测试:如果检测到 CGB,显然这将排除整个宇宙暴胀范式,这不允许它存在。

Vagnozzi 和 Loeb 认为这样的测试是可能的,并且 CGB 原则上可以在未来被检测到。 CGB 增加了宇宙辐射预算,否则包括微波和中微子背景。 因此,它对早期宇宙的宇宙膨胀率的影响达到了下一代宇宙学探测器可以探测到的水平,这可以提供对 CGB 的首次间接探测。

然而,要确定对 CGB 的检测,“确凿证据”将是检测在 100 GHz 附近频率达到峰值的高频引力波背景。 这将很难检测到,并且需要在回旋加速器和超导磁体技术方面取得巨大的技术进步。 尽管如此,研究人员说,这个信号将来可能会触手可及。