在地底一千多米，探索宇宙的最初時刻

2020-11-18 原理



我們的宇宙始於138億年的大爆炸，自那時起，宇宙便開始不斷地膨脹、冷卻。一直以來，物理學家和天文學家都想要更好地了解在大爆炸後的最初那段時間裡，究竟發生了什麼？為了推演宇宙的早期歷史，他們會利用各種方法來獲取那些在早期宇宙中起到了關鍵作用的物理學信息。


最近，在義大利一座隱蔽的實驗室裡，物理學家重現了在大爆炸後的兩到三分鐘內的核反應。這一新的測量結果讓許多相關領域的研究人員都欣喜若狂，因為他們確認的是被稱為大爆炸核合成（Big Bang nucleosynthesis，簡稱BBN）的一系列核反應中最不確定的一個因素。研究結果被刊登在了近期的《自然》雜誌上。



BBN始於大爆炸後一秒，它是在宇宙形成的最初幾分鐘內產生了第一批輕元素的一系列核反應。在BBN的最初之時，宇宙可被描述為是一鍋由粒子組成的熱粒子湯，在這鍋熱湯裡，中子和質子被光子和中微子包圍著。


大爆炸的約一秒後，宇宙像是一鍋炙熱的粒子湯，充滿了質子和中子。 | 圖片來源：原理


隨著宇宙的膨脹和冷卻，中子和質子開始結合在一起，它們首先形成的是一種被稱為氘（²H）的重氫同位素，它由一個質子和一個中子組成；隨後，氘會迅速地通過一系列反應轉變為更重、更穩定的元素，如氦-3（³He）原子核和氦-4（⁴He）原子核。大約在三分鐘後，宇宙中包含了約75%的氫原子核，和25%的氦-4，以及少量的氘、氦-3和鋰-7（⁷Li）。


大爆炸核合成。 | 圖片來源：原理


大爆炸只產生了這些非常輕的元素，比鋰-7更重的元素要等到第一批恆星死亡時才出現（詳見：《來自________的你》）。在過去的一些研究中，天文學家通過觀察宇宙中的輕元素，來推測它們的原始豐度。這類觀測證實了氦-4的原始豐度的確為25%。而對遙遠宇宙中的氘的測量，則進一步帶來了與早期的宇宙密度息息相關的信息，因為從對氘的精確測量能從中，科學家能推斷出發生在宇宙大爆炸後最初幾分鐘內的一些關鍵細節，這其中就包括質子和中子的密度。


2018年，英國杜倫大學的研究人員通過使用對宇宙微波背景（CMB）輻射的測量結果，以1%的精確度確定了氘的原始豐度。這比基於理論預測的不確定性要好得多，而理論預測值中的不確定性主要源自於當氘核和質子在結合產生氦-3核和光子時的核反應速率。如此一來，若要想更好地了解如質子和中子的密度等關鍵信息，研究人員必須先了解氘與質子發生核反應時速率，而這正是新研究所進行的測量。



質子和氘核結合產生氦-3和光子。新的實驗是在地底深處進行的，以隔絕宇宙射線。 | 圖片來源：原理


測量氘與質子之間的核反應速率是非常困難的，其難度首先在於在實驗室條件下，這種反應並不常發生；再者，在實驗室環境下，宇宙射線會產生能夠幹擾實驗結果的背景信號。


在新的研究中，物理學家通過在位於地底一千多米深的義大利格蘭薩索國家實驗室中進行實驗，消除了這種背景噪聲。在實驗中，他們在與BBN有關的粒子能量值下，在粒子加速器中讓質子束與氘核發生撞擊產生氦-3。


所得的實驗結果將這種核反應速率的測量值的不確定性從9%降低到了3%以下。這一結果大大改善了基於理論預測的氘的原始豐度值的不確定性，從而讓理論預測的數值的精度更接近於實驗觀測值的精度。


此外，新的研究增強了物理學家對BBN的理解，使得他們可以更精確地測量宇宙中普通物質的含量。根據新得出的數據，研究人員計算出由質子和中子組成的普通物質佔今天宇宙總密度的4%，這與通過CMB測量得到的數值是吻合的。


這種一致性在一定程度上緩解了我們對於「新物理學」的需求，雖然這或許會使一些迫切期待出現未知理論的物理學家失望，但它卻代表明了宇宙學的基本理論框架的勝利。它意味著，在無需使用新物理學理論的情況下，我們僅通過將已知的物理學定律與宇宙學觀測相結合，就能將宇宙的「一生」回放到當宇宙只有一秒的時候。



這樣的結果將對與BBN有關的研究產生深遠的影響。它或許將能激發科學家們對BBN之前的宇宙時期展開研究。此外，新的數據告訴我們，普通物質佔今天宇宙中所有物質的4%，我們由此可以推斷剩下的96%是由暗物質和暗能量組成的，雖然我們對它們的本質一無所知。如果是這些神秘的未知成分影響了在BBN時產生的輕元素豐度，那麼對BBN時期的研究或將有助於為解開宇宙中的「黑暗面」提供理論信息。


由此可見，在可預見的未來，BBN都將成為一個令人興奮的研究領域。就讓我們期待更多的測量將能發揮更大的潛力，幫助我們更好地理解在宇宙最早期扮演著重要角色的物理學。


圖片設計：嶽嶽

參考連結：

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03117-3#ref-CR4

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2878-4

https://www.quantamagazine.org/physicists-pin-down-nuclear-reaction-from-moments-after-the-big-bang-20201111/

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