几年前在日本举行的一次会议上， 大卫·邓斯基 参加了一场关于引力波的演讲，引力波是恒星和黑洞等大质量物体加速时在时空结构中产生的涟漪。

邓斯基当时是粒子物理学的研究生，他的兴趣似乎在其他地方。粒子物理学家寻求支撑我们熟悉的物理规则的更基本的真理。他们长期以来一直使用高能粒子对撞机来测试他们的想法。通过以深不可测的能量将粒子粉碎在一起，这些科学家可以发现构建块的构建块——在短距离尺度上发生的高能现象。这些现象还告诉我们宇宙最初的时刻，当时它很小、很稠密而且非常热。

但邓斯基在演讲中了解到，未来的引力波天文台，如拟议的激光干涉仪空间天线（LISA），可用于探测高能物理。 LISA 将能够探测到被称为宇宙弦的假设物体，宇宙弦是宇宙诞生期间可能出现的大量集中能量。 “我着迷于试图理解来自早期宇宙的引力波信号，”现在是纽约大学的宇宙学家和粒子物理学家的邓斯基说，“以及它们如何告诉我们关于非常非常高能的物理的潜在可能性。”超出了我们目前可以用对撞机检测到的范围。”

他转向将引力波作为粒子物理学的前进方向，这证明了人们对未来 LISA 实验的兴趣日益浓厚，或许还有更广泛的转变。距离粒子对撞机上一次重大发现已经过去十二年了。 2012 年大型强子对撞机 (LHC) 发现的希格斯玻色子完成了粒子物理学的标准模型，这是已知基本粒子和力的主导理论。尽管理论家们已经想出了一系列扩展标准模型的可能理论，但尚不清楚我们是否可以建造能够测试这些想法的对撞机。

“人们正在谈论在未来 50 年建造对撞机，其能量比大型强子对撞机强 10 倍，”他说。 拉曼·桑德鲁姆，马里兰大学理论粒子物理学家。然而，测试大统一理论（将标准模型的三种力追踪为在较短距离内运行的单一基本力）“似乎需要一台能量是大型强子对撞机 10 亿倍的对撞机，”他说。

我们无法在对撞机中产生的东西，我们也许可以在自然界中观察到。具体来说，答案可能在于创世之初展开的过程的引力回声，当时宇宙充满活力，超出标准模型的物理学将占据主导地位。

这是 Dunsky 和 ​​Sundrum 等粒子物理学家的希望，他们现在希望用 LISA 来检验他们的理论。该任务概念最初于 1980 世纪 2011 年代初提出，并在接下来的十年中正式向欧洲航天局 (ESA) 提出。该项目曾一度与 NASA 合作，但美国因预算问题于 2015 年退出，迫使欧洲单独行动。然而，今年一月，LISA 终于获得了 ESA 的批准，目前 ESA 正在寻找行业合作伙伴以开始建设。在此之前，2016 年和 XNUMX 年的 LISA Pathfinder 试点任务取得了巨大成功，该任务测试了未来天文台的关键技术。

LISA 目前计划于 2030 年代首飞。四年来，它的三颗卫星阵列将在直径约数百万英里的等边三角形中翻滚穿过太空，从每艘飞船内保持完美自由落体的金色立方体反射激光，以感受时空的涟漪。

“我们可能第一次真正从宇宙的早期时代直接得到一些东西”，说 伊莎贝尔·加西亚·加西亚华盛顿大学粒子物理学家和宇宙学家。她补充说，如果 LISA 真的能够接收到原始引力波，这将是我们第一次看到宇宙的最初时刻。 “从粒子物理学的角度来看，这显然是令人难以置信的令人兴奋。”

幸运丽莎

如果 LISA 确实能够在下一个十年的某个时候探测到原始引力波，那将是由于宇宙的非凡运气。

没有任何望远镜能够揭示创世的最初时刻。望远镜通过探测从远处传播的光来了解宇宙的过去。但大爆炸后的前 380,000 万年却隐藏在某种宇宙幕布后面。当时，宇宙充满了电离等离子体，这些等离子体会散射光子，使其对光不透明。

与光不同，引力波可以在早期宇宙中自由波动。现有的地面观测站（例如 LIGO 和 Virgo）可能对这些原始波不敏感。但丽莎也许能够听到宇宙帷幕升起之前舞台上发生的事情。

“这就像在雾中听到什么声音，”桑德鲁姆说。

与地面引力波天文台一样，LISA 将使用激光精确测量沿其“臂”的距离（在本例中为三角形星座中三个航天器之间的真空线）来检测时空波纹。当引力波经过时，时空会拉伸和收缩。这会在 LISA 的臂长上产生轻微的差异，仪器可以通过跟踪激光束波峰和波谷的错位来检测这一差异。远离地球嘈杂的环境，LISA 将比现有的干涉仪（如 LIGO）灵敏得多，LIGO 已用于探测黑洞和中子星碰撞。它也会更大；它的每条臂将比地球半径长近400倍。

即便如此，LISA 感受到的距离变化也非常小——大约比原子小 50 倍。 “如果你仔细想想，这是一个相当疯狂的概念，”说 诺拉·吕茨根多夫是 ESA 的天体物理学家，也是 LISA 项目的科学家。

LISA 的尺寸和灵敏度将使其能够观测到比地面干涉仪可观测到的引力波长得多的引力波。 LIGO可以感知波长约30到30,000公里之间的引力波，但LISA可以拾取长度从几十万公里到几十亿公里的引力波。这将使LISA能够监听地面天文台无法“听到”的天体物理事件，例如超大质量黑洞的合并（而不是恒星大小的黑洞）。 LISA 的波长带也恰好符合物理学家对大爆炸后第一时刻产生的引力波的预期大小。

早期宇宙中的高能物理产生了引力波，随着宇宙的膨胀和空间的拉伸，这些波被炸成巨大的尺寸。 LISA 恰好做好了迎接前 10 场浪潮的准备 ^{- 17} 到10 ^{- 10} 大爆炸后几秒钟——实际上是在时间的开始。该范围的短端，10 ^{- 17} 秒，是一个如此短暂的周期，一秒的时间相当于宇宙年龄的秒数。

“有这样的机缘，”说 基娅拉·卡普里尼，日内瓦大学和欧洲核子研究中心的理论宇宙学家。 “LISA 的探测频段与宇宙演化的这个特定时期之间存在匹配，这标志着我们粒子物理学知识的前沿。”

超越标准模型

直到这个边界，标准模型都很好地解释了 17 种基本粒子如何与三种力相互作用：电磁力、强核力和弱核力。尽管取得了巨大的成功，但没有人认为这些粒子和力是存在的全部。

该理论有其缺陷。例如， 希格斯玻色子的质量 — 决定其他粒子质量的标准模型的组成部分 — 是 令人沮丧地“不自然””。与宇宙更大的能量尺度相比，它显得任意且小得令人费解。此外，标准模型没有提供对暗物质的解释，也没有提供对暗物质的解释。 神秘的暗能量 推动空间加速膨胀。另一个问题是，反物质和物质在标准模型的三种力下表现完全相同——这显然不是完整的故事，因为物质主宰着宇宙。然后还有重力。标准模型完全忽略了第四种基本力，它必须使用它自己定制的理论广义相对论来描述。

比利时鲁汶天主教大学的理论宇宙学家皮埃尔·奥克莱尔表示：“因此，像我这样的许多理论家一直在尝试对标准模型进行一些压缩，并尝试对其进行扩展。”但如果没有实验证据来检验它们，这些扩展理论仍然只是理论上的。

奥克莱尔是一位理论家。 “但是，我仍然在尽可能多地尝试与实验联系起来，”他说。这就是他被 LISA 吸引的原因之一。 “这些延伸通常会导致早期宇宙中不同的极端事件，”他说。

加西亚·加西亚同样表示，LISA 对高能物理观测证据的承诺促使她重新思考自己的职业生涯——引力波可以“以其他实验无法做到的方式探测早期宇宙”，她说。几年前，她开始研究引力波以及标准模型之外的物理现象如何留下 LISA 可检测到的指纹。

去年，加西亚·加西亚和她的同事 发表的作品 气泡壁的引力波特征——气泡壁之间的能量屏障，随着宇宙冷却，气泡壁被困在不同的状态中。这种冷却是随着宇宙的膨胀而发生的。正如水沸腾并变成蒸汽一样，宇宙也经历了相变。在标准模型中，单个“电弱”力分裂为单独的电磁力和弱力的相变相对平稳。但该理论的许多扩展都预测了暴力事件，这些事件使宇宙汤起泡并受到干扰，邓斯基说，他也研究气泡壁等拓扑缺陷。

遍布我们宇宙的量子场具有最小能量态或基态。随着宇宙冷却，新的低能基态出现，但给定的场并不总是立即降落在新的基态。有些陷入了局部能量极小值——只是看起来稳定的虚假基态。但有时，宇宙的一小部分会通过量子隧道进入真实状态，形成一个快速膨胀的真实真空气泡，其能量低于外部宇宙的能量。

“这些气泡非常有活力；由于内部和外部之间的压力差，它们的移动速度非常接近光速，”邓斯基说。 “因此，当它们碰撞时，这两个相对论性很强的物体之间会发生剧烈碰撞，有点类似于黑洞在碰撞前发出强烈引力波的方式。”

弦与墙

更具推测性的是，早期宇宙中的相变也可能创造了被称为宇宙弦和磁畴壁的结构——分别是巨大的密集能量线和片。

当量子场的基态发生变化而出现多个新的基态时，这些结构就会出现，每个基态都同样有效。这可能会导致宇宙各区域之间的边界出现高能缺陷，而这些缺陷恰好落入不同但同样有利的基态。

邓斯基说，这个过程有点像某些岩石在冷却时产生自然磁性的方式。 研究了可观察到的指纹 的过程。在高温下，原子是随机取向的。但在低温下，它们在能量上变得有利于磁排列——基态发生变化。如果没有外部磁场来定向原子，它们就可以自由地以任何方式排列。所有“选择”都同样有效，不同领域的矿物偶然会做出不同的选择。所有原子产生的磁场在磁域之间的边界处急剧弯曲。

同样，宇宙不同区域的量子场“必须在这些域的边界处迅速变化”，他说，导致这些边界处的能量密度很大，“表明域壁或宇宙弦的存在”。

这些宇宙弦和磁畴壁如果存在的话，随着空间的膨胀，它们几乎会延伸到整个宇宙。当扭结沿着它们传播以及当环振荡并形成尖点时，这些物体会产生引力波。但这些波的能量尺度大多是在宇宙最初形成的物体时设定的。如果它们存在的话，LISA 可以检测到它们。

创造的回响

从早期宇宙到达我们的引力波不会像黑洞碰撞的信号那样以整齐的鸣叫声到达。由于它们发生的时间太早，因此此类信号已遍布整个空间。它们会同时从各个方向、空间中的每个点发出回声——背景引力嗡嗡声。

“你打开探测器，它就一直在那里，”加西亚·加西亚说。

桑德鲁姆说，这种背景下的图案可能“对普通人来说就像噪音”。 “但秘密地，有一个隐藏的密码。”

一个重要的线索是背景信号的频谱——它在不同频率下的强度。如果我们将引力波信号视为声音，那么它的频谱将是音调与音量的关系图。奥克莱尔说，真正随机的白噪声将具有平坦的频谱。但在相变期间释放的引力波或从宇宙弦或磁畴壁投射的引力波在特定频率下声音最大。奥克莱尔一直致力于计算宇宙弦的光谱特征，当宇宙弦的扭结和环路演化时，宇宙弦会发出特征波长的引力波。还有卡普里尼 研究 剧烈的相变会如何在引力波背景上留下自己的印记。

Sundrum 和他的同事采用了另一种方法 2018年概述 和 最近阐述，将尝试绘制天空背景的整体强度。这样就可以寻找各向异性，或者比平均水平稍微响亮或安静一点的斑块。

“问题在于，”卡普里尼说，“这种信号实际上与仪器噪声具有相同的特征。因此，整个问题是，一旦我们检测到某些东西，如何能够区分它。”

LISA 更像是麦克风而不是望远镜。它不会凝视某个特定方向，而是会立即聆听整个天空的声音。如果存在的话，它会听到原始引力波。但它也会听到黑洞、中子星和银河系内许多对白矮星合并时发出的鸣叫声和嚎叫声。为了让 LISA 探测到原始引力波的背景，所有其他信号都需要仔细识别和消除。过滤掉来自早期宇宙的真实信号就像在建筑工地上挑选春风的声音一样。

但桑德鲁姆选择充满希望。 “我们做这项研究并不疯狂，”他说。 “这对实验者来说会很困难。公众将很难为需要完成的各种事情付费。理论家将很难克服所有的不确定性、错误和背景等因素来计算出他们的方法。”

不过，桑德鲁姆补充道，“这似乎是可能的。带着一点点运气。”