140亿年前,宇宙诞生之初究竟发生了什么,是物理学中最大的谜团之一;没有简单的方法来探测它。那是因为,在早期阶段,宇宙中充满了稠密的等离子体——一种由包括电子和质子在内的带电粒子(与中子一起构成原子核的粒子)构成的气体。光子(光的粒子)被困在混合物中,猛烈地从其他粒子上反弹,无法逃脱。

随着宇宙的膨胀和密度的降低,光子最终可以逃逸,光开始自由传播。这一事件发生在被称为“重组”的大爆炸38万年后,它引发了宇宙起源的第一个快照宇宙微波背景-我们用望远镜观察。我们所知道的关于早期宇宙是基于大爆炸留下的辐射。但是重组就像一堵墙:我们不能用望远镜直接探测早期的时代,因为那时光被捕获了。

现在有几个项目正试图利用引力波来听宇宙大爆炸-时空结构中的涟漪. 我们的新建项目,将致力于探测这种超高频波,并可能导致发现全新的物理学。

最近的引力波探测,时空结构中的涟漪,由Ligo/处女座实验已打开新的观察窗口进入宇宙。它们使我们能够研究重力而不是光是信使的现象。迄今为止探测到的引力波被称为天体物理引力波。它们是由相对较新的物理过程产生的,例如黑洞.

早期宇宙中可能产生的波的类型称为宇宙引力波尚未被发现。这种波在产生后可以自由传播;它们的行为就像鬼魂一样,可以穿过重组墙,提供了一种独特的工具来调查重组过程早期宇宙. 虽然天体物理引力波来自天空中一个精确的方向,但宇宙学引力波从所有可能的方向到达我们,对应于过去产生引力波的不同区域。这使得它们很难被发现。

但是能够探测到宇宙引力波的回报是巨大的:在早期宇宙中有许多可能的灾难性现象可以产生引力波。预热例如,可以认为是一系列的爆炸,在爆炸过程中,能量是由未知粒子传递的通货膨胀-一个宇宙爆炸的时代粒子物理标准模型今天。这发生在宇宙只有几分之一秒大的时候,就在通货膨胀结束之后。宇宙在其第一秒钟内也很可能发生几次状态变化(就像水在沸腾时发生的那样):这类事件被称为相变。

涉及尚未发现的粒子的过程,如轴子(可能构成暗物质)也可能产生了波。因此,如果宇宙引力波被探测到,它们可以为我们提供关键的信息,说明当时发生了什么时间的开始.

高频与低频

当前和计划引力波探测器主要集中在低频段,在低频段保证存在天体物理信号。他们还可以寻找宇宙引力波,并能探测宇宙非常年轻时产生的信号最初的时刻通货膨胀之后。

这是因为产生的波的波长与宇宙的“大小”成正比(宇宙正在膨胀)。它产生得越早,相应波长越小,频率越高。通货膨胀结束后的时代正是我们新项目的目标。这涵盖了当我们可以看到一些最迷人的自然理论的实际证据的时候,例如弦理论.

在最近的宇宙中,还有其他可能产生高频引力波的来源。例如被称为玻色子星(由称为玻色子的基本粒子构成的恒星)或“原始黑洞”的神秘物体可能构成暗物质. 它们都是被认为存在的从未被观察到的假想实体。

绝大多数高频信号会立即指向无法在计算机中描述的粒子或现象粒子物理标准模型以及宇宙学标准模型,我们对大自然最好的描述。因此,一项发现将揭示我们宇宙中一些尚未解决的问题,例如暗物质的组成和膨胀的起源。

微型机械

高频探测器有几个明显的优点。首先,由于探测器的大小与被探测的波长成正比,高频引力波探测器将比低频探测器小得多(而且更便宜)。例如,Ligo臂的长度是4公里。我们梦想着用一个能装在厨房里的探测器来听大爆炸的声音。我们希望这能奏效;在高频下,没有天体物理背景信号干扰我们想要测量的东西。

不过,探测高频引力波很困难。像Ligo这样的实验寻找两个反射镜之间距离的变化,这种变化是由通过的引力波引起的,相当于原子核大小的一小部分。由于高频重力波探测器较小,因此要探测的变化将更为微小。

利用我们现有的技术,我们已经能够探测到高频范围内的微小变化(尽管我们还没有捕捉到任何引力波)。但是我们需要改进它来探测早期宇宙的引力波。支持这种技术发展是什么我们的项目都是关于。

最终,我们正试图开始一段具有挑战性的旅程,就像人们在20世纪70年代开始寻找天体物理引力波时所做的那样。它花了将近50年的时间和20多次尝试,这表明努力和耐心是有回报的。谈话

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图片来源:费利克斯米特梅尔皮克斯湾

我于2016在意大利波罗尼亚大学获得了理论物理博士学位。在那之后,我有过各种各样的博士后职位:一年在牛津(2016-2017),两年在的里雅斯特的ICTP(2017-2019),一年在汉堡的DESY(2020)。我目前持有四年史蒂芬霍金奖学金(由UKRI和EPSRC资助)在应用数学和理论物理系工作。。。