天文学家利用引力波探索早期宇宙并回答宇宙学的基本问题

最近的一项研究揭示了一种产生引力波的新机制，涉及到振荡子--由振荡场形成的局部非线性结构。这些振荡子是在宇宙膨胀期快速膨胀后形成的，当它们衰变时可以产生可探测的引力波。这些引力波为研究早期宇宙和解决宇宙学的基本问题提供了一个独特的机会。

图为被分割成振荡子的充气子场的示意图，以及叠加的引力波。资料来源：Kavli IPMU，Volodymyr Takhistov

研究人员在《物理评论快报》上发表的一项新研究报告说，他们发现了一种由被称为振荡子的现象产生的新的通用引力波生产机制，在许多宇宙学理论中，振荡子可能起源于驱动早期宇宙快速膨胀的充气子场的分裂成孤子"肿块"的过程。

这些结果为揭示有关宇宙最早时刻的令人兴奋的新见解奠定了基础。

发生在大爆炸之后的通货膨胀时期被认为导致了宇宙的指数式膨胀。在许多宇宙学理论中，快速膨胀期之后是震荡子的形成。振荡子是一种局部的非线性大质量结构，它可以从场中形成，如inflaton场，这些场在高频率下进行振荡。这些结构可以持续很长时间，正如研究人员发现的那样，它们的最终衰变可以产生大量的引力波，也就是时空的涟漪。

在他们的研究中，卡弗里宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）项目研究员Kaloian D. Lozanov和卡弗里IPMU客座副科学家、国际宇宙和粒子研究量子场测量系统中心（QUP）高级科学家和高能加速器研究组织（KEK）理论中心助理教授Volodymyr Takhistov模拟了早期宇宙期间充气子场的演变，发现振荡子确实存在。他们随后发现，振荡子衰变能够产生引力波，而这些引力波是可以被即将到来的引力波观测站探测到的。

这些发现为早期宇宙的动态提供了一个新的测试，独立于传统研究的宇宙微波背景辐射。这些引力波的发现将为了解宇宙最早的时刻建立一个新的窗口，并可能有助于揭示宇宙学中一些紧迫的基本问题。

随着引力波探测器和超级计算资源的不断发展，我们可以期待在未来几年内获得对宇宙早期时刻的更多见解。总的来说，这项新研究展示了将理论模型与先进的计算技术和观测相结合的力量，以发现对宇宙演变的新见解。

他们研究的细节于5月2日发表在《物理评论快报》上。