圖片來源：Nathan Musoke

撰文：Mark P.Hertzberg

翻譯：王麟濤

審校：戴晨

現代宇宙學的一個(ge) 基本任務是，理解宇宙結構從(cong) 最初到現在的形成過程。其中一個(ge) 主流的觀點是宇宙膨脹，它能合適地解釋我們(men) 觀測到的許多宇宙特征，如從(cong) 宇宙的平坦性到各向同性。膨脹產(chan) 生了一個(ge) 極其均勻的宇宙，但量子漲落會(hui) 使不同的地方出現密度差異。這些密度差異正是當今宇宙大尺度結構形成的開端。

然而，我們(men) 很難解釋宇宙初始漲落是如何以數量級的幅度增長，並導致如今的密度差異。新西蘭(lan) 奧克蘭(lan) 大學的Nathan Musoke等人，利用高精度的數值計算來預測初始較小的量子漲落如何演化。通過隻關(guan) 注一個(ge) 時間非常早、空間非常小的特定區域，他們(men) 能夠通過自洽計算追蹤這些量子漲落的演變。他們(men) 預測發展後的複雜結構比初始的密度要大了幾個(ge) 數量級。研究結果揭示了宇宙在膨脹後的第一階段形成的結構。這或可以幫助研究人員確定新觀測信號中那些來自宇宙膨脹最早期的信號。這項研究被發表在《物理評論快報》上。

宇宙膨脹的基本假設是早期宇宙中充滿了處於(yu) 簡並量子態的玻色子。這些被稱為(wei) 暴脹子的無自旋粒子形成了一個(ge) 原始的量子場，攜帶有巨大的勢能，驅動宇宙呈指數級膨脹。研究人員已經證明，如果他們(men) 在愛因斯坦場方程中加入暴漲場，他們(men) 可以預測一個(ge) 快速指數膨脹的階段，在這個(ge) 階段，宇宙的大小會(hui) 增長30多個(ge) 數量級。

這種膨脹的擴展將導致暴漲子均勻地充滿宇宙。對於(yu) 最簡單的宇宙膨脹模型來說，描述指數膨脹階段的暴漲子分布的演變是相當簡單的。由初始量子漲落引起的不均勻性是很小的，局域密度的偏差約為(wei) 十萬(wan) 分之一。在這種情況下，相應的愛因斯坦方程可以簡化到隻考慮線性擾動項。

然而，要理解宇宙膨脹過後會(hui) 發生什麽(me) ，難度要大得多。在宇宙後膨脹時代（由於(yu) 沒有任何光子，也被稱為(wei) 原始黑暗時代），雖然宇宙的能量密度主要由暴漲子控製，但各種非線性效應很快變得重要並放大了不均勻性。暴漲子之間可以產(chan) 生相互作用，這會(hui) 導致它們(men) 聚集起來，在空間中聚合形成明顯的塊狀。暴漲子也可以衰變並耦合到標準模型粒子。

為(wei) 了深入了解這一時期，Musoke等人遵循先前探索的方法，隻關(guan) 注一個(ge) 非線性因素：暴漲子之間的相互作用。近年來，人們(men) 對這一時期進行了數值研究，但目前的工作將更進一步，通過改進了數值程序，以盡可能準確地跟蹤宇宙從(cong) 線性到非線性的演化過程。

Musoke 等人用高精度數值求解與(yu) 重力耦合的相應的場方程，以研究暴漲子分布的演化。在這個(ge) 階段中，暴漲子分裂成一個(ge) 高度不均勻的結構，隨著粒子的波長延長和動量減小，係統進入一個(ge) 非相對論狀態。研究人員稱之為(wei) 物質主導階段，通過從(cong) 傳(chuan) 統物質中觀察到的現象反映這一過程的演化。然而，由於(yu) 係統仍然是高度簡並的，它不能用經典粒子物理學來描述，而是用經典場論來描述。為(wei) 了描述這些情況，Musoke等人使用了可以數值求解的薛定諤-泊鬆方程組。他們(men) 依靠被稱為(wei) PyUltraLight的數值代碼，對薛定諤-泊鬆方程進行更精確的數值處理。

在物質主導階段，密度隨時間增長而波動。這是因為(wei) 引力具有吸引力，所以高密度的區域會(hui) 吸引周圍的事物，進而變得更加稠密。從(cong) 非常小的初始波動開始，Musoke 等人觀察到波動被放大了幾個(ge) 數量級，在一些空間尺度上達到或超過統一性。這個(ge) 區域正是線性近似（linear approximations）失效的地方。由於(yu) 高精度三維數值計算，該小組可以處理這一區域，並獲得形成的暴漲子分布的統計結果。

這一研究工作隻專(zhuan) 注於(yu) 暴漲子及其自身的相互作用，因此適合於(yu) 描述一個(ge) 由這些粒子支配的非常早期的宇宙。下一步的研究將包括暴漲子與(yu) 標準模型粒子和其他粒子（包括暗物質）的相互作用，這些物質可由暴漲子最終衰變產(chan) 生。當考慮這種相互作用時，研究人員能夠將膨脹與(yu) 由重子物質和暗物質組成的後宇宙時代聯係起來。接下來，研究人員需要擴大計算的時間範圍，以描述我們(men) 現在看到的大尺度宇宙結構的出現。盡管這些後期形成的區域與(yu) 原始黑暗時代有很大的不同，但這一研究中使用的一些計算技術可能有助於(yu) 這項任務的研究。

最後，重要的是要確定是否有任何可觀察的特征，可以讓研究人員探索這一早期的後膨脹階段。Musoke等人認為(wei) 這些特征是存在的。他們(men) 認為(wei) 早期漲落的增長可能產(chan) 生足夠強的引力場，從(cong) 而產(chan) 生可探測的引力波。這些波會(hui) 以類似於(yu) 宇宙微波背景的隨機背景出現。根據膨脹的能量強度，這些引力波的頻率可能在現有探測器（如LIGO和Virgo）或未來的天基探測器（如計劃於(yu) 2034年發射的激光幹涉儀(yi) 空間天線（LISA））可探測的頻率範圍內(nei) 。

原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/16

關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【科學防控】，學習(xi) 疫情相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【科普小達人】，報名參賽贏取萬(wan) 元大獎