大爆炸是否产生了引力波？引力辐射为啥能穿越一切不受影响？

早期人类的探险家和思想家就一直想要弄清我们这个世界的形状。但直到1948年我们才首次拼出了地球的第一张曲率照片，于是我们就真真切切的看到了地球是圆的。至此我们的视野也一路跨过太阳系，穿越银河系来到了广袤的宇宙，甚至看到了来自宇宙的第一缕光，我们称之为微波背景辐射（CMB）。

第一张显示地球曲率的合成照片

但是我们知道微波辐射并不是宇宙的开始，而是宇宙诞生后38万年的样子，由于在这之前宇宙致密的等离子体对光子不透明，因此我们是无法利用电磁波看到宇宙之前发生的所有事。我们也称这个时期为不透明时期，关于微波辐射之前的宇宙大多是在大爆炸模型下的推测，以及后来在微波辐射的温度波动中得到了求证，那么我们有没有什么办法直接获得有关宇宙早期的信息呢？今天我们就说两个天文学问题:

当我们观察宇宙的时候，你可能会认为我们所看到的景象仅仅受限于我们所能收集到的光子数量。如果我们想要探测更遥远或本质上更加模糊的天体时，最常见的办法就是在更大的范围内使用更大口径的望远镜或利用更长的曝光时间来收集光线。其实这是一种我们常用的构建遥远天体图像的天文技术，比如哈勃深场，哈勃超深场，以及下图的哈勃极深场。

但是不管我们用多大的望远镜曝光多长时间，我们只能看到更加遥远的星系，并不会看到微波背景辐射之前宇宙的样子，因为早期星系发出的光可以沿着直线在空旷的空间中自由的传播，虽然宇宙空间中也存在一些中性物质（如气体和尘埃）会吸收星光，而中性物质还是会重新发射特定波长的光。因此我们不管往前看多久，都只能看到宇宙光子自由传播以后的景象。而且我们知道宇宙中的物质并不总是以稳定的中性束缚状态存在。

在宇宙年轻的时候，能量温度很高、密度也很大，由于辐射能量的增加中性原子会被电离。虽说宇宙现在已经有138亿年的历史了，而且是一个寒冷、相对空旷的空间。但当宇宙只有几十万岁的时候，高温密集的状态会让中性原子无法形成！这时的宇宙只是一个由电子、原子核、光子和其他粒子组成的电离等离子体。

致密的等离子体对光子的传播非常不利，我们的太阳就是这样，一个典型的光子从诞生到逃离太阳表面，要经过数万年的时间经历无数的碰撞。

特定频率的光子是否更容易与带电粒子碰撞？

那么当宇宙被电离时，光子也会非常频繁地与自由电子发生碰撞、散射。特定频率的光子是否比其他频率的光子更容易被电子散射呢？也就是说高频率的光子在与电子的碰撞中倾向于向低频率的光子转移（康普顿散射），还是低频率的光子在与高能电子的碰撞中倾向于向高频率的光子转移（反康普顿散射），哪种发生的几率更高？其实我们只需要看光子和电子的碰撞和哪些因素有关就能知道答案！下图中的汤姆森截面给出了光子与电子碰撞的关系。

我们可以看到光子和带电粒子的碰撞和光子的能量、频率和波长无关，所以第二个问题的答案是否定的，所有频率的光子都一样，都会与电子以同样高的频率碰撞，这就导致了任何频率的光子都无法在CMB之前的时间自由的传播。但是对于引力波来说就没有这样的烦恼。

宇宙诞生时的引力波能否为我们带来早期宇宙的信息

引力波或者称之为引力子是空间结构本身的涟漪。以光速c运动，只会扭曲空间不会与其他物质发生碰撞或相互作用。因此在早期的宇宙引力子可以自由的传播，而且不会被质量结构的改变所吸收。

在传统天体物理上可以产生引力波的天体，如中子星、黑洞、白矮星的轨道系统和超新星，但是我们认为大爆炸本身也应该产生了空间的涟漪！

在大爆炸之前宇宙经历了暴涨阶段，宇宙暴涨也创造了大爆炸发生的条件。因为暴涨发生了两种类型的量子涨落并且都延伸到了整个宇宙空间。一种是所有存在的矢量、旋量和标量量子场的涨落，其导致了能量的密度涨落，并在很久以后，造成的密度不均匀区域变成恒星、星系和星系团，或其他巨大的、空旷的宇宙空间。另外一种是宇宙张量量子场的波动，它会导致宇宙诞生时出现引力辐射。理论上，宇宙早期的引力辐射可以由更加先进、敏感的陆基或天基激光干涉仪探测到。

宇宙暴涨理论也对应该产生的引力波频谱做了非常具体的预测，不同的模型做出的预测在具体细节上有所不同。如果暴胀被理论是错误的，那么在早期宇宙中产生的引力波频谱将会大不相同。因此探测引力波可以帮助我们验证暴涨理论的正确性。

虽然我们现在还没有能力探测到宇宙早期的引力辐射，但不管怎样，以下事实仍然存在：

如果暴涨理论是正确的，引力波除了向频谱略微倾斜之外，唯一的实际变量是来自早期宇宙的张量波动的振幅。因此引力波也携带者暴涨时期量子涨落的信息。

顺便说一下，这些也可能会在宇宙微波背景中出现，特别是在某些光子偏振模式中。如果我们可以精确地测量这些模式，我们应该能够了解更多关于宇宙暴涨理论的信息!

引力波确实为我们提供了一扇通往宇宙早期阶段的窗口。但是我们目前的技术还无法实际获取宇宙早期的引力辐射。