比微波輻射還要早的宇宙訊號是什麼？

場深是什麼

早期人類的探險家和思想家就一直想要弄清我們這個世界的形狀。但直到1948年我們才首次拼出了地球的第一張曲率照片，於是我們就真真切切的看到了地球是圓的。至此我們的視野也一路跨過太陽系，穿越銀河系來到了廣袤的宇宙，甚至看到了來自宇宙的第一縷光，

我們稱之為微波背景輻射（CMB）。

第一張顯示地球曲率的合成照片

但是我們知道微波輻射並不是宇宙的開始，而是宇宙誕生後38萬年的樣子，由於在這之前宇宙緻密的等離子體對光子不透明，因此我們是無法利用電磁波看到宇宙之前發生的所有事。我們也稱這個時期為不透明時期，關於微波輻射之前的宇宙大多是在大爆炸模型下的推測，以及後來在微波輻射的溫度波動中得到了求證，那麼我們有沒有什麼辦法直接獲得有關宇宙早期的資訊呢？

今天我們就說兩個天文學問題:

1、我們知道引力波不會受到物質是否帶電的影響。那麼，引力波是否有可能讓我們看到比宇宙微波背景更早的時間呢？有效地打破了

CMB

的壁壘？

2、帶電粒子比中性氫原子更容易散射光子。也就是與光子碰撞，那麼某些頻率的光子是否比其他頻率的光子更容易被帶電粒子散射？

為什麼無法看到CMB之前的宇宙

當我們觀察宇宙的時候，你可能會認為我們所看到的景象僅僅受限於我們所能收集到的光子數量。如果我們想要探測更遙遠或本質上更加模糊的天體時，最常見的辦法就是在更大的範圍內使用更大口徑的望遠鏡或利用更長的曝光時間來收集光線。其實這是一種我們常用的構建遙遠天體影象的天文技術，比如哈勃深場，哈勃超深場，以及下圖的哈勃極深場。

關於哈勃深場是什麼？大家想進一步瞭解的話，可以透過頭條APP搜尋「哈勃著名的超深場和極深場是什麼？」第一條內容是我之前釋出的問答。有詳細的解釋。

但是不管我們用多大的望遠鏡曝光多長時間，我們只能看到更加遙遠的星系，並不會看到微波背景輻射之前宇宙的樣子，因為早期星系發出的光可以沿著直線在空曠的空間中自由的傳播，雖然宇宙空間中也存在一些中性物質（如氣體和塵埃）會吸收星光，而中性物質還是會重新發射特定波長的光。因此我們不管往前看多久，都只能看到宇宙光子自由傳播以後的景象。而且我們知道宇宙中的物質並不總是以穩定的中性束縛狀態存在。

在宇宙年輕的時候，能量溫度很高、密度也很大，由於輻射能量的增加中性原子會被電離。雖說宇宙現在已經有138億年的歷史了，而且是一個寒冷、相對空曠的空間。但當宇宙只有幾十萬歲的時候，高溫密集的狀態會讓中性原子無法形成！這時的宇宙只是一個由電子、原子核、光子和其他粒子組成的電離等離子體。

緻密的等離子體對光子的傳播非常不利，我們的太陽就是這樣，一個典型的光子從誕生到逃離太陽表面，要經過數萬年的時間經歷無數的碰撞。

特定頻率的光子是否更容易與帶電粒子碰撞？

那麼當宇宙被電離時，光子也會非常頻繁地與自由電子發生碰撞、散射。特定頻率的光子是否比其他頻率的光子更容易被電子散射呢？也就是說高頻率的光子在與電子的碰撞中傾向於向低頻率的光子轉移（康普頓散射），還是低頻率的光子在與高能電子的碰撞中傾向於向高頻率的光子轉移（反康普頓散射），哪種發生的機率更高？其實我們只需要看光子和電子的碰撞和哪些因素有關就能知道答案！下圖中的湯姆森截面給出了光子與電子碰撞的關係。

我們可以看到光子和帶電粒子的碰撞和光子的能量、頻率和波長無關，所以第二個問題的答案是否定的，所有頻率的光子都一樣，都會與電子以同樣高的頻率碰撞，這就導致了任何頻率的光子都無法在CMB之前的時間自由的傳播。但是對於引力波來說就沒有這樣的煩惱。

宇宙誕生時的引力波能否為我們帶來早期宇宙的資訊

引力波或者稱之為引力子是空間結構本身的漣漪。以光速c運動，只會扭曲空間不會與其他物質發生碰撞或相互作用。因此在早期的宇宙引力子可以自由的傳播，而且不會被質量結構的改變所吸收。

在傳統天體物理上可以產生引力波的天體，如中子星、黑洞、白矮星的軌道系統和超新星，但是我們認為大爆炸本身也應該產生了空間的漣漪！

在大爆炸之前宇宙經歷了暴漲階段，宇宙暴漲也創造了大爆炸發生的條件。因為暴漲發生了兩種型別的量子漲落並且都延伸到了整個宇宙空間。一種是所有存在的向量、旋量和標量量子場的漲落，其導致了能量的密度漲落，並在很久以後，造成的密度不均勻區域變成恆星、星系和星系團，或其他巨大的、空曠的宇宙空間。另外一種是宇宙張量量子場的波動，它會導致宇宙誕生時出現引力輻射。理論上，宇宙早期的引力輻射可以由更加先進、敏感的陸基或天基鐳射干涉儀探測到。

宇宙暴漲理論也對應該產生的引力波頻譜做了非常具體的預測，不同的模型做出的預測在具體細節上有所不同。如果暴脹被理論是錯誤的，那麼在早期宇宙中產生的引力波頻譜將會大不相同。因此探測引力波可以幫助我們驗證暴漲理論的正確性。

雖然我們現在還沒有能力探測到宇宙早期的引力輻射，但不管怎樣，以下事實仍然存在：

早期宇宙熾熱、稠密、能量高並且處於膨脹狀態，比任何已知天體所能達到的能量都要高，在這種能量下，我們相信宇宙誕生時應該產生了引力波。

引力波應該不會發生改變，除非透過宇宙紅移，因為引力波穿越了從早期宇宙到今天的所有物質、輻射和空間。

引力波應該有一組特定的振幅，和波長相關。對引力波背景的測量應該能告訴我們更多關於宇宙誕生的資訊。

如果暴漲理論是正確的，引力波除了向頻譜略微傾斜之外，唯一的實際變數是來自早期宇宙的張量波動的振幅。因此引力波也攜帶者暴漲時期量子漲落的資訊。

順便說一下，這些也可能會在宇宙微波背景中出現，特別是在某些光子偏振模式中。如果我們可以精確地測量這些模式，我們應該能夠了解更多關於宇宙暴漲理論的資訊！

引力波確實為我們提供了一扇通往宇宙早期階段的視窗。但是我們目前的技術還無法實際獲取宇宙早期的引力輻射。