🛑 🧙 🤲🏿 问第54号Ethan：我们记录的最早的宇宙信号是什么？ 👨🏿‍🚀 🌄 🚇

有没有办法超越宇宙透明之前那一刻之前存在的障碍？

从早期开始，人们（研究人员和思想家）就想弄清楚世界的形态。我们总是通过讲故事来做到这一点。很难让真相妨碍一个好故事。
-亚当·萨维奇（Adam Savage）

短暂休息之后，我很高兴宣布我们专栏的回归。每周，我们邀请您发送问题和建议，以便利用所有科学知识的可能性得到详细的答案。由于长期缺席，由于杰拉德（Gerard）的询问，我决定一次给您三个答案：

两个天文问题：
1）原则上，物质的电荷不应影响引力波。他们有可能帮助我们超越CMB的时代吗？也就是说，要克服遗留辐射的障碍吗？
2）带电粒子比中性氢原子更能散射光子。某些频率的光子会被带电粒子散射得比其他频率更多吗？

还有一个个人问题：您是如何对天文学产生兴趣的？因为大学老师？因为有亲戚吗？因为要去天文馆？

让我们从前两个问题和现在开始。

当我们看着宇宙时，自然会认为我们所看到的仅受我们能够收集到多少光的限制。如果需要找到远处或暗淡的物体，则需要从更大的区域（使用具有更大光圈的望远镜）或更长的时间（具有更长的曝光）中收集光，然后才能看到它。我们经常使用这种技术-这就是我们获取照片的方式，例如哈勃深场，哈勃超深场以及最近的哈勃极限深场（下图）。

但是我们看到这些星系，尽管距离很远，因为光线几乎是通过无障碍的空间到达了我们的视线。尽管中性物质（气体和尘埃）吸收并再次发出某些波长的光，但是当物质以稳定和中性状态存在时，宇宙并不总是处于这种状态。

当宇宙变得更热，更年轻，更密集时，中性原子由于高温和环境动能的原因而不稳定。空间已经有138亿年的历史了，它是空无一人的。但是，在几十万年的岁月中，他是如此的炽热和致密，以至于中性原子不可能出现！宇宙是电子，原子核，光子和其他粒子的电离等离子体。

这很不好，因为光子在那段时间几乎没有话要说。当宇宙被电离时，光子会被自由电子很好地散射。杰拉德的第二个问题是：某些频率的光子是否比其他频率更有效地散射。对于几千年前的宇宙的典型能量，当与电子碰撞时（康普顿散射），高频光子会移动到较低的光子；当与高能电子碰撞时（康普顿反向散射），低频光子会移动到较高的光子，但是碰撞的一般概率是多少？

这是汤姆森的个人资料：

它不取决于光子的能量，频率和波长，因此，第二个问题的答案是：不，所有频率的光子散布得太频繁，以至于无法保存和传输有关遗迹辐射之前时间的信息。

但是引力波没有这种问题。

引力波（或引力子，如果您喜欢用粒子来描述）是宇宙本身结构中的波。它们在真空中以光速运动，但只会扭曲空间。它们被发射出来，但是据我们所知，它们并没有被质量的变化所吸收。

尽管我们通常谈论发射这些波的普通天体物理学源，例如中子星，黑洞，白矮星，轨道系统和超新星，但导致“大爆炸”的时刻也应该创造了它们！

在宇宙膨胀的时代，这之前和引发大爆炸，有两种类型的发生和整个宇宙扩散量子波动。一种类型是所有现有矢量，自旋和标量量子场中的波动。它们导致了密度的波动，后来导致了区域的出现，然后这些区域变成了恒星，星系和星团或巨大的空白空间。另一种类型是宇宙的张量量子场的波动，这导致了引力辐射。原则上，可以通过改进型的地面激光或太空激光干涉仪检测到这种辐射。尽管与我们当前的项目相比，它们应该得到很大的改进。

通货膨胀给出了它所产生的重力波频谱的非常具体的预测类别，并且不同的模型做出的预测在这些细节上也有所不同。

如果膨胀模型被证明是错误的，那么在宇宙早期产生的引力波谱应该完全不同。

在任何情况下，以下情况均成立：

在早期的宇宙中-处于非常热，密集和膨胀的状态，其能量高于我们在地面或天体物理实验室所能达到的水平-引力波应该已经出现
从产生之日到现在，除了红移之外，这些波将一直通过物质，辐射和空间发生变化，除了红移。
波必须具有一定的振幅集，具体取决于频率。无论是否存在通货膨胀，背景引力辐射的测量应为我们提供有关宇宙诞生的更多信息

如果通货膨胀理论是正确的，那么除了频谱的微小偏差外，唯一的实际变量将是来自早期宇宙的张量波动幅度。

这将在微波背景辐射中表现出来，特别是在光子极化的某些模式下。通过准确地测量这些模式-BICEP2和Planck都试图做到这一点-我们可以了解有关空间膨胀的更多信息。

因此，杰拉德的引力波确实在宇宙发展的最早阶段为我们打开了一个窗口。仅仅因为现代技术不允许我们接触它们，并不意味着我们不应该为此而努力，也不应投资于允许我们直接探究宇宙早期阶段的技术开发。原则上，如果在其中投入了适当的资源，我们必须能够在一代人的时间内实现这一目标。

关于另一个问题：是什么引起了我对天文学的兴趣。我小时候发生了两件事，它们可能会让您感到惊讶。我的故事与大多数天文学家和天体物理学家的故事不同。

我一直很喜欢去露营。对于一个在纽约及周边地区长大的孩子来说，接触森林，山脉，篝火和黑暗的天空的机会对我来说是难得的，但与此同时，我从小就记得所有的快乐。特别是，我记得自己11岁时遇到的一种经历：我只是和另一个同龄人和他的哥哥一起躺在背上。

然后我仍然可以不戴眼镜看到，我们大概可以看到几千颗星星。我们抬起头，谈论了一切，一无所获，并没有束缚我们的想象力。它非常美丽，在我看来，我看到的每个片段的背后都有某种故事，我真的很想成为这些故事的一部分。奇怪的是，无论是去天文馆，与老师一起工作，看书，看图像还是使用望远镜，都没有给我这样的感觉。当我躺在我的背上，仰望黑暗的星空时，这种经历给了我一种难忘的感觉。

几年后，当我13到14岁时，在一个夏令营中，我晚上在船上航行，我有类似的感觉。但是那时我已经对数学有所了解。

这对我来说变得很有趣：毕竟，如果您在一个方向上乘船旅行足够长的时间，您将回到同一地方。如果您在空间的一个方向飞行足够长的时间会发生什么？你会回到同一点吗？

当我仰望天空思考宇宙的数学和物理结构，更高维度以及宇宙的整体外观时，我感到惊讶，好奇和参与。由于缺乏更好的描述，我觉得我需要了解这些事情。并不是说我看到了某些特定的东西，学到了一些特定的东西，或者遇到了一个特定的人-那就是让我生火的想法。

生活使我朝着不同的方向前进，但是我总是回到相似的问题和感受中，而且-我知道这听起来很愚蠢-我感到我内心深处对这一领域的热情永不消退。我正是在我描述的两个事件的帮助下发现了这一点。

问第54号Ethan：我们记录的最早的宇宙信号是什么？

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