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          宇宙弦究竟是什么?

          時間:2020-01-15 14:05:29       來源:科技日報

          微波背景輻射是宇宙中最古老的光,自大爆炸之后,穿越了漫長的時間與空間后成為了微波,充盈在整個宇宙空間里,掩蓋了無數未知的秘密,宇宙弦便是其中之一。

          近期,來自加拿大麥吉爾大學的研究人員奧斯卡·赫爾南德斯等在收錄全球科學文獻預印本的在線數據庫arXiv.org上分享了一種觀點,即可利用卷積神經網絡程序在龐雜的宇宙微波背景輻射的“噪音”中找尋某一特定宇宙弦的蹤跡。但該方法目前實踐起來,仍困難重重,因為現實中幾乎不可能得到足夠清晰的宇宙微波背景數據供該程序“追蹤”宇宙弦。因此,研究人員將希望寄托于“21厘米氫線的擾動強度測量”這種新型的探測方式上。

          宇宙弦究竟是什么?為何讓諸多天文學家、物理學家為之著迷不已?“21厘米氫線的擾動強度測量”如何為人們找尋宇宙弦提供新思路?

          起源:相變之能量遺跡

          大爆炸理論是目前學界多數學者認同的宇宙形成理論,也是現代宇宙學中最有影響力的一種學說。然而,該理論并非完美無瑕。

          大爆炸理論認為,宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期里,宇宙在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,即宇宙是由一個致密熾熱的奇點于一次大爆炸后膨脹形成的。

          理論上講,這種演化在大尺度上應是均勻且各向同性的。但事實上,天體高密度聚集成星系、云團等彌漫在近乎真空的星際間。

          實踐是檢驗真理的唯一標準。這種不均勻的宇宙事實顯然急需一種新的解釋。是什么導致了恒星、星系等一些破壞宇宙均勻性的巨大團體形成?有學者便提出了“宇宙弦”這一概念。他們認為,宇宙中也許充斥著大量的宇宙弦,憑借其強大的引力將周圍的物質吸引過來,成為恒星、星系誕生的“種子”。只不過以現有的探測手段尚未發現宇宙弦的蹤跡。

          那么,宇宙弦究竟是什么?

          “在回答這個問題之前,我想先提一個大家相對比較熟悉的名詞:相變。”中國科學技術大學物理學院天文系教授蔡一夫在接受科技日報記者采訪時說。

          相變在我們日常生活中比比皆是,例如水凍成冰、鐵磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經歷的歷史就是一個不斷發生相變的熱膨脹歷史,在這個過程中有基本粒子的產生,基本粒子凝合成元素,元素最后結合出我們見到的熟悉的物質結構。“相變過程伴隨著能量釋放,而能量釋放的一種方式就是前面所提到的形成各個層次的粒子結構。”蔡一夫表示,“宇宙弦就是宇宙經歷相變時釋放能量形成的一根根與當時的宇宙尺度相當的繩子一樣的能量結構。”

          當然,能量釋放的結果也有其他的形態,如宇宙墻或者磁單極子。但是從理論上分析,這樣的形態遠不如基本粒子、宇宙弦穩定,會在宇宙演化后期消失掉。而宇宙弦異常穩定和堅固,從而有可能在宇宙中存活下來并遺留到現在。因此,即便宇宙弦是否存在尚未獲得“實錘”,但還是吸引了國內外眾多學者的殷殷目光。

          特性:弦細質大光扭曲

          雖未曾真實觀測到宇宙弦,但我們仍可以從理論上推斷出宇宙弦的諸多特性。

          時任華東理工大學理論物理研究所所長李新洲曾在20世紀90年代公開發表論文指出,宇宙弦很細,它的橫向尺度僅為10-29厘米,但質量極大,其線密度約為每厘米1022克,或每光年107太陽質量。

          因此宇宙弦的引力十分可觀。而廣義相對論指出,引力與時空彎曲是等效的。因此,宇宙弦的周圍空間會產生錐形畸變,繞一根宇宙弦周邊轉一圈小于360度。這樣的畸變把宇宙弦變成了一個透鏡,讓處在宇宙弦后面的天體發射的光子可通過兩條可能的路徑到達觀測者,因此該天體會被折射成有相等亮度的兩個像。

          這意味著什么?

          近年來,研究人員發現了成對存在、紅移幾乎相等的星系或類星體。有學者便提出了疑問:這些會不會并非真實的物理現象,而是同一光源由于宇宙弦的引力透鏡效應所形成的雙像?雖然目前結論正確與否還未可知,但不得不承認,宇宙弦的存在為我們觀測到許多神奇的天文現象提供了新的思路。

          研究宇宙弦的意義不止于此。在蔡一夫看來,所有的宇宙弦皆可釋放出引力波,盡管總量并不大,但物理學家還是希望能在現在蓬勃發展的引力波天文學中有所突破。再者,如果宇宙弦恰好在誕生時刻帶電的話,那么這樣的宇宙弦屬于超導弦,會有很多放電現象,就如同我們看到高壓電線在電線裸露時的放電現象類似,或將能解釋種種有趣的天體物理效應的起源,如快速射電暴等。

          此外,由于宇宙弦產生得很早,并有可能與宇宙微波背景輻射產生于同一時代或者更早時期,因此宇宙微波背景輻射會受到宇宙弦的影響。

          蔡一夫告訴科技日報記者,宇宙弦周圍空間的錐畸形原本在靜止的狀態下很難被察覺,但如果宇宙微波背景輻射與宇宙弦發生相對運動,那么這種角度缺失就會導致宇宙微波背景輻射上發生溫度差異。這也是為何很多學者投身于宇宙微波背景輻射中追尋宇宙弦蹤跡的原因。

          探測:21厘米氫線或成主力

          然而,也有學者并不看好過度依賴于宇宙微波背景輻射探測宇宙弦的方法。

          奧斯卡·赫爾南德斯在文章中提到,現階段人類制造的微波儀器不夠完美,分辨率也有限,這些因素加在一起,會造成一定程度的信息丟失,凡是依賴于宇宙微波背景輻射的研究,皆躲不過這些誤差。因此,我們需要一個超越宇宙微波背景輻射的測量方式,也許“21厘米氫線的擾動強度測量”將會為我們提供信息更加豐富的圖譜。

          據蔡一夫介紹,21厘米氫線的擾動強度測量是一種未來的天文觀測手段,目前這一技術還在發展之中。

          宇宙大爆炸之后,宇宙中的質子和電子結合成原子。當時普通的物質中,氫占了絕大多數,但它在電磁譜中基本不會釋放或吸收光子,因此,氫幾乎是隱形的,而宇宙則是透明的。但氫里唯一的一個電子是個“怪胎”,電子原本有順、逆時針兩個自旋方向,當它的真實自旋在這兩個方向上來回變化時,它就會釋放或者吸收一個光子,該光子的波長約為21厘米,所以將其輻射線稱為21厘米氫線。

          蔡一夫指出,早在上世紀40年代,就有科學家從理論上預言了天文觀測宇宙21厘米氫線的存在,并很快被觀測所證實。但由于這種信號過于微弱,我們只能確認這些信號的存在但無法精確測量大小和其他性質,目前天文實驗還在努力提高測量技術。

          宇宙膨脹導致紅移,如今我們觀測到的21厘米氫線的波長也會有所增加。宇宙中存在密度擾動,即某些區域膨脹速度快一些,有些區域慢一些,測得的21厘米氫線的波長會有細微的差別。由此可反推當時的21厘米氫線經歷了怎樣的旅程最終到達地球。

          “如果能實現精確觀測,那么發生在宇宙早期的那些21厘米氫線將會記錄當時的宇宙狀態,包括宇宙弦的影響。”蔡一夫說。

          當然,這種測量方式不僅僅是為了檢驗宇宙弦的存在,它也可以幫助人們更進一步了解宇宙在重電離時期以及最早的恒星形成時期的狀態,因此是未來天文實驗技術急需突破的關鍵領域。(實習記者 于紫月)

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