“暴胀子”，你听说过没

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翻译：雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后期：胡永葳

责任编辑：王启儒

原文：https://phys.org/news/2025-01-space-galaxies.html

论文：DOI: 10.48550/arxiv.2412.14265

据最新的研究，最初的宇宙结构体现在宇宙诞生初期由微小的量子涨落形成的密度不均匀性。这些密度不均匀性在宇宙膨胀和冷却的过程中逐渐演化，最终形成了今天可观测的宇宙大尺度结构，如星系、星系团和宇宙网。

学界广泛接受的大爆炸理论认为：极早期的宇宙经历了一段异常快速的膨胀时期。这一事件被称为“暴胀”，在不到一秒钟的时间里，宇宙膨胀了至少10的60次方倍。而这其中的动力来自于宇宙中的一种新粒子--“暴胀子”（inflaton），这是一种奇特的量子场，它加速膨胀，推动膨胀，然后逐渐消失。

在宇宙诞生初期的暴胀阶段，极其快速的指数膨胀将微小的量子涨落拉伸到宏观尺度，这些涨落产生了微小的密度和温度差异，是最初宇宙结构的“种子”。

Image Credit: NASA

暴胀不仅使宇宙变大，还为宇宙最初的结构埋下了“种子”。它通过量子泡沫，也就是时空本身的亚原子波动，与其他一切一起膨胀。随着时间的推移，这些波动慢慢地增长，数亿年后，它们变成了第一批恒星和星系，最终形成了宇宙中最大的结构--宇宙网（cosmic web）。

但谜团依然存在。我们不知道 “暴胀子 ”的身份，不知道它来源于什么，也不知道它为什么会消散。我们甚至没有确凿的证据证明暴胀确实发生过。

暴胀子（Inflaton）是宇宙暴胀理论中假设的一种标量场，它被认为是驱动宇宙在极早期阶段发生快速指数膨胀的关键。暴胀子的存在和其行为帮助解释了一些标准大爆炸模型中未能解决的宇宙学难题，比如平直性问题、视界问题和磁单极问题。

Credit: Jens Niemeyer/ Göttingen

因此，研究人员一直在寻找替代方案，尤其是那些不需要某种新的神秘粒子的方案。最近发表在 arXiv上的一篇论文中，一组团队描述了一个模型，在这个模型中，宇宙发生了膨胀，导致了宇宙的大尺度结构，而这一切都不需要膨胀子。

文中描述的模型背景是一个正在加速膨胀的宇宙，就像现代宇宙一样。在不断膨胀的宇宙中，量子泡沫释放出引力波。这些空间涟漪向外扩散，相互碰撞，并在叠加中自我放大。

引力波通常无法自行产生结构，但研究人员发现，在某些特殊情况下，引力波可以恰到好处的方式相互放大。当这种情况发生时，引力波在空间中留下的印记在各种长度尺度上几乎都是一样的。

宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙在“再复合”时期释放的光子，记录了那个时期宇宙的状态。观测显示，这些光子的温度在所有方向上几乎相同，大约是 2.725 K，只有极小的变化（称为各向异性）。暴胀理论的提出与CMB密切相关。即暴胀前的均匀性被拉伸到足够大的尺度，解释了为什么CMB在所有方向上看起来几乎相同。同时，暴胀也预测了均匀性中微小的量子涨落，这些涨落在CMB中表现为温度的细微波动。

Credit: bigthink

这正是宇宙学家在宇宙微波背景中观察到的现象，微波背景是早期宇宙遗留下来的光线。这种辐射包含了膨胀回声的微弱印象，它表明，无论宇宙结构的“种子”是什么，它都必须具有这种特性。

在这种 “无暴胀子 ”的情况下产生的结构类型与传统情况下产生的结构类型略有不同。在第一篇论文中，研究人员还没有计算出这些差异有多大，但下一步的重要工作是探索这一模型的观测结果，看看是否值得进一步研究。

——The End——

『天文湿刻』 牧夫出品

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Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

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