就像苍蝇被困在光滑的蜘蛛网中一样，被称为中微子的幽灵粒子被缠绕在宇宙的星系网络中。它们几乎没有质量，它们像亚原子幽灵一样穿过其他物质，几乎不与之相互作用。然而，新的研究揭示，这些神秘的粒子已经从根本上改变了宇宙的进程。通过观察100多万个星系，科学家们确定了中微子的引力是如何微妙地影响大爆炸后星系首次合并的位置。这些结果让我们得以一窥科学家们认为大爆炸之后最早可观测到的时刻是什么。研究报告的撰写者之一、加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家丹·格林说：
博科园-科学科普：这一新发现“增强了我们的信念，即我们真正理解了宇宙是如何在大爆炸后大约一秒钟内演化而来的。大爆炸后不久，宇宙就变成了一团由中微子、电子、中子、质子和光子组成的混沌。一秒钟内，中微子——粒子中最轻、相互作用最少的粒子——第一个从物质中分离出来，以接近光速的速度放大到宇宙中不断膨胀的空间中。科学家们把这种第一中微子的分布称为宇宙中微子背景。快进38万年，宇宙冷却到质子和电子凝结成原子，释放出宇宙的第一束光——宇宙微波背景。当原子在引力的牵引下开始聚集在一起时，粒子向外快速膨胀的速度减慢了。
这是一个由星系和他们的环境（EAGLE）项目所组成的可视化模型，模拟了70亿粒子来描述星系的形成和演化过程。一项新研究发现，中微子可能已经微妙地改变了宇宙星系网络的结构。图片：EAGLE Project
随着时间的推移，星系以更大、密度最高的团块播撒种子，最终形成了今天在宇宙中可见的星系网络。宇宙微波背景可以提供对早期宇宙中物质初始分布的一瞥。但是质子和电子并不是唯一影响宇宙结构的物质——中微子也发挥了作用。因为中微子是第一个离开粒子汤的，而且自那以后几乎没有与任何物质发生过相互作用，所以它们最终的位置与原子团稍有不同。科学家推测，这对宇宙网络的结构产生了轻微但明显的影响。通过研究120万个星系，科学家们证实中微子的引力略微改变了星系网的结构。研究结果发表在2月25日的《自然物理》期刊上。
中微子是一种亚原子粒子，以接近光速的速度在宇宙中穿行。图片：Shutterstock
此前，科学家们只在宇宙微波背景下间接发现了中微子的影响，这是来自物质和星系分布的第一个证据。宇宙微波背景提供了几十万年后宇宙的快照，而宇宙中微子背景则可以重现最初的1000秒左右，提供了对可观测宇宙的最早观察。今天，研究中微子的科学家们仍然无法发现它们，因为它们与原子、暗物质甚至其他中微子的相互作用非常微弱。这些新结果展示了中微子和物质之间微弱的相互作用，也可能帮助科学家在地球上更小的尺度上更好地理解这些难以捉摸的粒子。
洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的物理学家比尔路易斯(Bill Louis)说：中微子的大规模和小规模研究之间有着密切联系，将大规模和小规模的研究结合起来，将有助于我们更好地理解中微子和宇宙学。这个发现甚至可以帮助确定除了已知的三种中微子之外，是否还有另外一种中微子。宇宙中微子背景的存在是热大爆炸模型一个可靠预测。这些中微子是早期宇宙能量密度的主要组成部分，因此在宇宙微扰的演化中发挥了重要作用。
利用宇宙微波背景光元素丰度和各向异性测量了宇宙中微子背景的能量密度。在原始等离子体中，由于中微子密度波动所产生的声波的时间相位发生了明显变化，从而提供了一种互补、更健壮的探针。在这里，新研究报告了BOSS DR12数据的重子声学振动谱中中微子诱导相变的第一个约束条件。利用普朗克数据限制声波尺度，同时忽略宇宙微波背景中中微子的影响，发现非零相移的置信值大于95%。除了提供了一个新宇宙中微子背景测试，该研究工作是重子声学振荡信号在早期宇宙物理学中的首次应用！
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《Nature Physics》
文:Mara Johnson-Groh/Live Science
DOI:10.1038/s41567-019-0435-6
博科园-传递宇宙科学之美
