來源：原理

138億年前，發生了一件奇妙的事情：宇宙中的一切都在大爆炸中被創造出來。一直以來，天文學家和物理學家都想知道，在宇宙誕生的最初時刻究竟發生了什麼？這是困擾着衆多科學家的最大謎團之一，但我們並沒有一種簡單的方法可以探索這個問題。

宇宙的演化。| 圖片來源：NASA

這個問題之所以如此困難，是因爲早期宇宙中充滿了緻密的等離子體，將構成光的粒子——光子困在其中，使光子只能與它們發生劇烈碰撞而無法逃脫。直到大爆炸的約38萬年後，隨着宇宙的膨脹，這些等離子體的密度開始降低，光子終於獲得了自由之身。這一事件被稱爲“複合”，它爲我們帶來了可通過望遠鏡觀測到的宇宙最早“快照”——宇宙微波背景（CMB）。

普朗克衛星繪製的宇宙微波背景。| 圖片來源：European Space Agency， Planck Collaboration

儘管宇宙微波背景爲我們瞭解早期宇宙提供了大量線索，但對望遠鏡來說，“複合”事件就像一堵圍牆，擋住了我們的視線，使我們無法直接看到更早時期宇宙中發生的事情。

幸運的是，除了光子之外，天文學家還可以用時空結構中的漣漪——引力波來”聆聽“大爆炸。近年來，由LIGO/VIRGO引力波探測器探測到的引力波爲觀測宇宙打開了一扇新的窗口，爲我們探索最早期宇宙的祕密創造了新的可能。

然而到目前爲止，天文學家探測到的所有引力波，都可被歸類爲天體物理學引力波（Astrophysical gravitational wave）。這類引力波是由一些在“較近時期內”發生的物理過程產生的，比如雙黑洞或中子星的併合。

已發現的引力波來源包括雙黑洞併合、雙中子星併合、黑洞吞噬中子星。|圖片來源：LIGO-Virgo / Frank Elavsky， Aaron Geller / Northwestern University

天文學家一直想要探測到另一類引力波，即可能在早期宇宙中產生的宇宙學引力波（cosmological gravitational wave）。這類引力波在產生之後可以在宇宙中自由傳播，它們就像幽靈一般，能夠穿過“複合”牆，從而成爲研究早期宇宙的獨特工具。

這兩種引力波有一些不同之處。已觀測到的天體物理學引力波來自天空中的某個精確方向，而宇宙學引力波則來自所有可能的方向。這使得探測宇宙學引力波變得非常困難。但是，如果天文學家能夠探測到這類宇宙學引力波，則會收穫到巨大的回報。

早期宇宙中有許多可能產生宇宙學引力波的現象。例如，在大爆炸後的不到一秒內，宇宙經歷了一次指數級的膨脹，即暴脹時期。在暴脹結束時發生了“預熱”，能量從驅動了暴脹的未知粒子上，轉移到了今天已知的粒子上。而在預熱過程中，就會產生宇宙學引力波。此外，相變事件以及一些與目前未知的粒子（如軸子）有關的過程也可能產生宇宙學引力波。

預熱和相變等都可以產生宇宙學引力波。

因此，宇宙學引力波可以幫助我們獲取大量關於宇宙誕生之初的信息，甚至有可能帶來全新的物理學發現。

就像電磁波一樣，引力波也是由許多不同的物體以不同的頻率所輻射出來的。目前，正在運行的以及計劃中的項目（比如脈衝星計時、地基和天基幹涉儀）探索的引力波頻率範圍在納赫茲和千赫茲之間。然而，從實驗和理論的角度看，我們非常有必要尋找更高頻率的引力波，比如在兆赫茲和吉赫茲頻段之間。

幾個正在運行的以及計劃中的引力波探測器的探測波段大多集中在低頻。|圖片來源：http://gwplotter.com

從理論的角度而言，探索高頻引力波的一個強大動機是，目前還沒有哪個已知的天體，它的體積足夠小、密度足夠大能夠發射頻率超過10千赫茲的引力波。所以如果能夠發現更高頻率的引力波，就意味着產生這些引力波的源，要麼是來自一些天文學家認爲存在但從未被觀測到的假想天體——玻色子恆星（由玻色子構成的恆星）和可能與暗物質構成有關的”太初黑洞“，要麼就是正如剛纔上文提到的來自早期宇宙的事件，如暴脹後的預熱、相變或宇宙弦等。

絕大多數的高頻信號可以立即帶來關於粒子物理標準模型和宇宙學標準模型所無法描述的粒子或現象的信息。而這兩種模型是我們目前對自然的最佳描述，因此，一但作出發現，就將有望幫助我們闡明宇宙中一些尚未解決的問題，如暗物質的組成和暴脹的起源。

因此，若想要更好地瞭解宇宙早期發生了什麼，天文學家將需要依靠高頻探測器來尋找引力波，這樣纔可能爲證明一些最令人驚奇的理論找到實際證據。

高頻探測器有一些顯而易見的優勢。首先，探測器的大小需要與被探測的引力波波長成正比，因此，高頻引力波探測器在設計上可以低頻探測器要小得多，製造成本也低廉得多。以目前的LIGO爲例，它有着長達4千米的臂長；而對於一個用於聆聽大爆炸的高頻引力波探測器來說，它可能小到足以放進一個普通人家的廚房。除了尺寸之外，在高頻下，沒有天體物理背景信號會干擾天文學家測量真正想測量的東西。

然而，探測高頻引力波是很困難的。像LIGO這樣的實驗尋找的是由引力波引起的兩個鏡子之間的距離變化，這種距離變化極其微小，還不到原子核那麼大。因此，有着更小尺寸的高頻引力波探測器，則需要能夠探測到更小的長度變化纔行。

運用現有的技術，天文學家已經能夠探測到高頻範圍內的微小變化。但若要真正探測到早期宇宙的引力波，一些技術還需要得到改善，這也是許多研究人員正在努力的方向。

這注定會是一段富有挑戰的旅程。就像人們在20世紀70年代開始尋找天體物理引力波時那樣——在耗費了近50年的時間和20多次嘗試之後，天文學家終於得到了想要的結果，證明所有的努力和耐心是值得的。

#創作團隊：

編譯：不二北斗

#參考來源：

https：//theconversation.com/big-bang-how-we-are-trying-to-listen-to-it-and-the-new-physics-it-could-unveil-164502

https：//arxiv.org/pdf/2011.12414.pdf

http://indico.ictp.it/event/9006/session/28/contribution/129/material/slides/0.pdf

http://www.ctc.cam.ac.uk/activities/UHF-GW.php

#圖片來源：

封面來源：Christine Daniloff， MIT， ESA/Hubble and NASA