在地底一千多米,探索宇宙的最初时刻

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我们的宇宙始于138亿年的大爆炸,自那时起,宇宙便开始不断地膨胀、冷却。一直以来,物理学家和天文学家都想要更好地了解在大爆炸后的最初那段时间里,究竟发生了什么?为了推演宇宙的早期历史,他们会利用各种方法来获取那些在早期宇宙中起到了关键作用的物理学信息。

最近,在意大利一座隐蔽的实验室里,物理学家重现了在大爆炸后的两到三分钟内的核反应。这一新的测量结果让许多相关领域的研究人员都欣喜若狂,因为他们确认的是被称为大爆炸核合成(Big Bang nucleosynthesis,简称BBN)的一系列核反应中最不确定的一个因素。研究结果被刊登在了近期的《自然》杂志上。

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BBN始于大爆炸后一秒,它是在宇宙形成的最初几分钟内产生了第一批轻元素的一系列核反应。在BBN的最初之时,宇宙可被描述为是一锅由粒子组成的热粒子汤,在这锅热汤里,中子和质子被光子和中微子包围着。

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大爆炸的约一秒后,宇宙像是一锅炙热的粒子汤,充满了质子和中子。 | 图片来源:原理

随着宇宙的膨胀和冷却,中子和质子开始结合在一起,它们首先形成的是一种被称为氘(²H)的重氢同位素,它由一个质子和一个中子组成;随后,氘会迅速地通过一系列反应转变为更重、更稳定的元素,如氦-3(³He)原子核和氦-4(⁴He)原子核。大约在三分钟后,宇宙中包含了约75%的氢原子核,和25%的氦-4,以及少量的氘、氦-3和锂-7(⁷Li)。

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大爆炸核合成。 | 图片来源:原理

大爆炸只产生了这些非常轻的元素,比锂-7更重的元素要等到第一批恒星死亡时才出现(详见:《来自________的你》)。在过去的一些研究中,天文学家通过观察宇宙中的轻元素,来推测它们的原始丰度。这类观测证实了氦-4的原始丰度的确为25%。而对遥远宇宙中的氘的测量,则进一步带来了与早期的宇宙密度息息相关的信息,因为从对氘的精确测量能从中,科学家能推断出发生在宇宙大爆炸后最初几分钟内的一些关键细节,这其中就包括质子和中子的密度。

2018年,英国杜伦大学的研究人员通过使用对宇宙微波背景(CMB)辐射的测量结果,以1%的精确度确定了氘的原始丰度。这比基于理论预测的不确定性要好得多,而理论预测值中的不确定性主要源自于当氘核和质子在结合产生氦-3核和光子时的核反应速率。如此一来,若要想更好地了解如质子和中子的密度等关键信息,研究人员必须先了解氘与质子发生核反应时速率,而这正是新研究所进行的测量。

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质子和氘核结合产生氦-3和光子。新的实验是在地底深处进行的,以隔绝宇宙射线。 | 图片来源:原理

测量氘与质子之间的核反应速率是非常困难的,其难度首先在于在实验室条件下,这种反应并不常发生;再者,在实验室环境下,宇宙射线会产生能够干扰实验结果的背景信号。

在新的研究中,物理学家通过在位于地底一千多米深的意大利格兰萨索国家实验室中进行实验,消除了这种背景噪声。在实验中,他们在与BBN有关的粒子能量值下,在粒子加速器中让质子束与氘核发生撞击产生氦-3。

所得的实验结果将这种核反应速率的测量值的不确定性从9%降低到了3%以下。这一结果大大改善了基于理论预测的氘的原始丰度值的不确定性,从而让理论预测的数值的精度更接近于实验观测值的精度。

此外,新的研究增强了物理学家对BBN的理解,使得他们可以更精确地测量宇宙中普通物质的含量。根据新得出的数据,研究人员计算出由质子和中子组成的普通物质占今天宇宙总密度的4%,这与通过CMB测量得到的数值是吻合的。

这种一致性在一定程度上缓解了我们对于“新物理学”的需求,虽然这或许会使一些迫切期待出现未知理论的物理学家失望,但它却代表明了宇宙学的基本理论框架的胜利。它意味着,在无需使用新物理学理论的情况下,我们仅通过将已知的物理学定律与宇宙学观测相结合,就能将宇宙的“一生”回放到当宇宙只有一秒的时候。

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这样的结果将对与BBN有关的研究产生深远的影响。它或许将能激发科学家们对BBN之前的宇宙时期展开研究。此外,新的数据告诉我们,普通物质占今天宇宙中所有物质的4%,我们由此可以推断剩下的96%是由暗物质和暗能量组成的,虽然我们对它们的本质一无所知。如果是这些神秘的未知成分影响了在BBN时产生的轻元素丰度,那么对BBN时期的研究或将有助于为解开宇宙中的“黑暗面”提供理论信息。

由此可见,在可预见的未来,BBN都将成为一个令人兴奋的研究领域。就让我们期待更多的测量将能发挥更大的潜力,帮助我们更好地理解在宇宙最早期扮演着重要角色的物理学。

图片设计:岳岳

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标签: 宇宙探索

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