宇宙弦真的存在吗?答案可能藏在21厘米氢线中
2020-01-14 21:26:14

微波背景辐射是宇宙中最古老的光,自大爆炸之后,穿越了漫长的时间与空间后成为了微波,充盈在整个宇宙空间里,掩盖了无数未知的秘密,宇宙弦便是其中之一。

近期,来自加拿大麦吉尔大学的研究人员奥斯卡·赫尔南德斯等在收录全球科学文献预印本的在线数据库arXiv.org上分享了一种观点,即可利用卷积神经网络程序在庞杂的宇宙微波背景辐射的“噪音”中找寻某一特定宇宙弦的踪迹。但该方法目前实践起来,仍困难重重,因为现实中几乎不可能得到足够清晰的宇宙微波背景数据供该程序“追踪”宇宙弦。因此,研究人员将希望寄托于“21厘米氢线的扰动强度测量”这种新型的探测方式上。

宇宙弦究竟是什么?为何让诸多天文学家、物理学家为之着迷不已?“21厘米氢线的扰动强度测量”如何为人们找寻宇宙弦提供新思路?

起源:相变之能量遗迹

大爆炸理论是目前学界多数学者认同的宇宙形成理论,也是现代宇宙学中最有影响力的一种学说。然而,该理论并非完美无瑕。

大爆炸理论认为,宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化,即宇宙是由一个致密炽热的奇点于一次大爆炸后膨胀形成的。

理论上讲,这种演化在大尺度上应是均匀且各向同性的。但事实上,天体高密度聚集成星系、云团等弥漫在近乎真空的星际间。

实践是检验真理的唯一标准。这种不均匀的宇宙事实显然急需一种新的解释。是什么导致了恒星、星系等一些破坏宇宙均匀性的巨大团体形成?有学者便提出了“宇宙弦”这一概念。他们认为,宇宙中也许充斥着大量的宇宙弦,凭借其强大的引力将周围的物质吸引过来,成为恒星、星系诞生的“种子”。只不过以现有的探测手段尚未发现宇宙弦的踪迹。

那么,宇宙弦究竟是什么?

“在回答这个问题之前,我想先提一个大家相对比较熟悉的名词:相变。”中国科学技术大学物理学院天文系教授蔡一夫在接受科技日报记者采访时说。

相变在我们日常生活中比比皆是,例如水冻成冰、铁磁体变成顺磁体等。我们的宇宙所经历的历史就是一个不断发生相变的热膨胀历史,在这个过程中有基本粒子的产生,基本粒子凝合成元素,元素最后结合出我们见到的熟悉的物质结构。“相变过程伴随着能量释放,而能量释放的一种方式就是前面所提到的形成各个层次的粒子结构。”蔡一夫表示,“宇宙弦就是宇宙经历相变时释放能量形成的一根根与当时的宇宙尺度相当的绳子一样的能量结构。”

当然,能量释放的结果也有其他的形态,如宇宙墙或者磁单极子。但是从理论上分析,这样的形态远不如基本粒子、宇宙弦稳定,会在宇宙演化后期消失掉。而宇宙弦异常稳定和坚固,从而有可能在宇宙中存活下来并遗留到现在。因此,即便宇宙弦是否存在尚未获得“实锤”,但还是吸引了国内外众多学者的殷殷目光。

特性:弦细质大光扭曲

虽未曾真实观测到宇宙弦,但我们仍可以从理论上推断出宇宙弦的诸多特性。

时任华东理工大学理论物理研究所所长李新洲曾在20世纪90年代公开发表论文指出,宇宙弦很细,它的横向尺度仅为10-29厘米,但质量极大,其线密度约为每厘米1022克,或每光年107太阳质量。

因此宇宙弦的引力十分可观。而广义相对论指出,引力与时空弯曲是等效的。因此,宇宙弦的周围空间会产生锥形畸变,绕一根宇宙弦周边转一圈小于360度。这样的畸变把宇宙弦变成了一个透镜,让处在宇宙弦后面的天体发射的光子可通过两条可能的路径到达观测者,因此该天体会被折射成有相等亮度的两个像。

这意味着什么?

近年来,研究人员发现了成对存在、红移几乎相等的星系或类星体。有学者便提出了疑问:这些会不会并非真实的物理现象,而是同一光源由于宇宙弦的引力透镜效应所形成的双像?虽然目前结论正确与否还未可知,但不得不承认,宇宙弦的存在为我们观测到许多神奇的天文现象提供了新的思路。

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