宇宙弦是否存在 答案可能藏在21厘米氢线中

科技|来源:科技日报2020-01-14 11:45:34|网络编辑:李惠惠

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。

研究宇宙弦的意义不止于此。在蔡一夫看来,所有的宇宙弦皆可释放出引力波,尽管总量并不大,但物理学家还是希望能在现在蓬勃发展的引力波天文学中有所突破。再者,如果宇宙弦恰好在诞生时刻带电的话,那么这样的宇宙弦属于超导弦,会有很多放电现象,就如同我们看到高压电线在电线裸露时的放电现象类似,或将能解释种种有趣的天体物理效应的起源,如快速射电暴等。

此外,由于宇宙弦产生得很早,并有可能与宇宙微波背景辐射产生于同一时代或者更早时期,因此宇宙微波背景辐射会受到宇宙弦的影响。

蔡一夫告诉科技日报记者,宇宙弦周围空间的锥畸形原本在静止的状态下很难被察觉,但如果宇宙微波背景辐射与宇宙弦发生相对运动,那么这种角度缺失就会导致宇宙微波背景辐射上发生温度差异。这也是为何很多学者投身于宇宙微波背景辐射中追寻宇宙弦踪迹的原因。

探测:21厘米氢线或成主力

然而,也有学者并不看好过度依赖于宇宙微波背景辐射探测宇宙弦的方法。

奥斯卡·赫尔南德斯在文章中提到,现阶段人类制造的微波仪器不够完美,分辨率也有限,这些因素加在一起,会造成一定程度的信息丢失,凡是依赖于宇宙微波背景辐射的研究,皆躲不过这些误差。因此,我们需要一个超越宇宙微波背景辐射的测量方式,也许“21厘米氢线的扰动强度测量”将会为我们提供信息更加丰富的图谱。

据蔡一夫介绍,21厘米氢线的扰动强度测量是一种未来的天文观测手段,目前这一技术还在发展之中。

宇宙大爆炸之后,宇宙中的质子和电子结合成原子。当时普通的物质中,氢占了绝大多数,但它在电磁谱中基本不会释放或吸收光子,因此,氢几乎是隐形的,而宇宙则是透明的。但氢里唯一的一个电子是个“怪胎”,电子原本有顺、逆时针两个自旋方向,当它的真实自旋在这两个方向上来回变化时,它就会释放或者吸收一个光子,该光子的波长约为21厘米,所以将其辐射线称为21厘米氢线。

蔡一夫指出,早在上世纪40年代,就有科学家从理论上预言了天文观测宇宙21厘米氢线的存在,并很快被观测所证实。但由于这种信号过于微弱,我们只能确认这些信号的存在但无法精确测量大小和其他性质,目前天文实验还在努力提高测量技术。

宇宙膨胀导致红移,如今我们观测到的21厘米氢线的波长也会有所增加。宇宙中存在密度扰动,即某些区域膨胀速度快一些,有些区域慢一些,测得的21厘米氢线的波长会有细微的差别。由此可反推当时的21厘米氢线经历了怎样的旅程最终到达地球。

“如果能实现精确观测,那么发生在宇宙早期的那些21厘米氢线将会记录当时的宇宙状态,包括宇宙弦的影响。”蔡一夫说。

当然,这种测量方式不仅仅是为了检验宇宙弦的存在,它也可以帮助人们更进一步了解宇宙在重电离时期以及最早的恒星形成时期的状态,因此是未来天文实验技术急需突破的关键领域。(实习记者 于紫月)

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