宇宙最初状态的秘密，竟然藏在这些暴涨场振荡子产生的引力波中

今天我要给大家介绍一篇最近发表在《物理评论快报》上的论文。这篇论文提出了一种新的引力波产生机制，即由宇宙早期的暴涨场分裂成的振荡子所引起的。这种引力波信号可以提供关于宇宙最初状态和暴涨理论的独特信息，有可能被现有或未来的引力波探测器观测到。

什么是暴涨、暴涨场、振荡子和引力波？

首先，我们要回答一个基本问题：宇宙是怎么开始的？根据目前最广泛接受的理论，宇宙大约在137亿年前诞生于一个极小极热的奇点，然后经历了一段极快速度的膨胀，这就是所谓的暴涨。暴涨可以解决一些宇宙学中的难题，比如平坦性问题、视界问题和单调性问题。暴涨还可以产生一些微小而随机的密度扰动，这些扰动在后来形成了我们看到的星系、星团和大尺度结构。
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那么，什么是驱动暴涨的动力呢？物理学家认为，存在一种称为暴涨场（或者叫作标量场）的东西，它可以在空间中均匀地分布，并且具有一个潜在能量。当暴涨场处于潜能曲线的高处时，它会使得空间加速膨胀；当暴涨场滚下潜能曲线时，它会释放出能量，并且结束暴涨。这个过程就像一个滚下山坡的球一样。不同形状的潜能曲线对应于不同类型的暴涨模型，比如单调模型、对数模型和纯自然模型等。

然而，并不是所有暴涨场都会平稳地滚下潜能曲线。有些暴涨场会因为量子涨落或者非线性效应而分裂成一些局域化、长寿命和质量较大的激发态，这些激发态就叫做振荡子。振荡子的形成和演化是一个非常复杂的过程，它取决于暴涨场的性质和参数。一般来说，振荡子会在暴涨结束后的辐射为主时期占据宇宙的主要能量密度，然后在某个时刻突然衰变，释放出其他粒子，比如光子、中微子和暗物质等。

最后，我们要介绍一下引力波。引力波是时空本身的波动，它可以由加速运动的质量源产生。引力波可以携带关于源的信息，比如质量、速度和形状等。引力波也可以穿越任何物质，因此可以探测到一些其他方法无法观测到的天体现象，比如黑洞碰撞、中子星合并和宇宙早期的相变等。引力波的直接探测是物理学和天文学的一个重大突破，它开启了一个新的观测窗口，让我们能够更深入地了解宇宙的奥秘。

暴涨场振荡子产生的引力波有什么特征？

在这篇论文中，作者发现了一种新的引力波产生机制，即由暴涨场振荡子所引起的。作者指出，在很多暴涨模型中，暴涨场会分裂成振荡子，并且在一段时间内占据宇宙的主要能量密度。这些振荡子会在二阶扰动下产生引力波，这些引力波与之前考虑过的由振荡子形成时产生的引力波是不同的。作者发现，这些新的引力波信号有以下几个特征：

引力波的幅度与振荡子占据宇宙能量密度的比例成正比，因此如果振荡子占据了很大一部分能量密度，那么引力波信号就会很强。引力波的频率与振荡子衰变时刻成反比，因此如果振荡子衰变得很晚，那么引力波信号就会很低频。

引力波的频率也与暴涨场潜能曲线的形状有关，因此不同类型的暴涨模型会产生不同频率的引力波信号。作者还给出了一些具体的例子，比如单调模型、对数模型和纯自然模型等，来说明这些新的引力波信号在不同参数下的大小和频率范围。

暴涨场振荡子产生的引力波有什么意义？

这篇论文提出的新的引力波信号对探测和测试暴涨理论有重要意义。作者指出：这些新的引力波信号可以提供关于暴涨场潜能曲线和参数的独特信息，这些信息是从宇宙微波背景辐射中无法获得的。这些新的引力波信号可以区分不同类型的暴涨模型，并且可以排除一些不符合观测数据或理论预期的模型。这些新的引力波信号可以用现有或未来的引力波探测器来观测，比如LIGO、VIRGO、LISA。