“宇宙弦是否存在 答案可能藏在21厘米氢线中”

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微波背景辐射是宇宙中最古老的光，大爆炸后，经过很长一段时间和空之间变成微波，充满整个宇宙空之间，掩盖了无数未知的秘密，宇宙线就是其中之一。

最近，加拿大麦吉尔大学的研究者奥斯卡·汉德斯等人在收录世界科学文献修订本的在线数据库arxiv中提出，利用卷积神经网络程序，可以从纷繁的宇宙微波背景辐射的噪声中寻找某种特定宇宙弦的痕迹 但是，这种方法目前正在实践中，因为现实中无法充分明确地获得宇宙的微波背景数据，无法跟踪宇宙学弦。 因此，研究人员对21cm氢气线的干扰强度测量这一新的检测方法寄予了厚望。

宇宙线是什么？ 为什么要讨好很多天文学家和物理学家？ 21厘米氢气线的干扰强度测量如何为人们寻找宇宙线提供新思路？

起源:相变的能源遗迹

大爆炸理论是目前学术界众多学者公认的宇宙形成理论，也是现代宇宙学中最有影响力的学说。 但是，这个理论并不完美。

大爆炸理论认为，宇宙有过从热到寒的进化史。 这个时期，宇宙不断膨胀，使物质密度由密向稀演化。 也就是说，宇宙是致密、炽热的奇点在大爆炸之后膨胀形成的。

理论上，这种演化应该是大尺度、均匀和各向同性的。 但实际上，天体高密度地凝聚成银河和云团等，扩散到接近真空的行星间。

实践是检验真理的唯一标准。 这种不均匀宇宙的事实显然需要新的解释。 是什么导致了恒星和银河等宇宙均匀性逐渐受损的巨大集团形成？ 一位学者提出了宇宙学弦这个概念。 他们认为宇宙中可能充满了大量的宇宙弦，通过其强大的引力吸引周围的物质，成为恒星和银河诞生的物种。 只是，在现有的探测手段中没有发现宇宙线的痕迹。

那么，宇宙学弦到底是什么？

在回答这个问题之前，我想谈谈大家熟悉的名词——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。

相变在我们的日常生活中很常见。 例如，水变成冰冻的冰，铁磁性体变成顺磁性体等。 我们宇宙经历的历史是相变不断的热膨胀历史，在这个过程中有基本粒子的产生，基本粒子的凝结合成元素，元素最后结合了我们所看到的熟悉的物质结构。 相变过程伴随着能量释放，而能量释放的一种形式是形成上述各阶层的粒子结构。 蔡一夫说，宇宙弦是指宇宙经历相变时释放能量形成的相当于当时宇宙尺度的类似于绳索的能量结构。

当然，能量释放的结果也有宇宙壁和磁单极子等其他形态。 但理论上，这种形态不像基本粒子、宇宙弦那么稳定，会在宇宙进化后期消失。 航天弦异常稳定和牢固，有可能在宇宙中生存至今。 因为，无论航天弦是否还未获得实锤，都吸引了国内外众多学者的殷眼球。

特点:弦细质量大光线扭曲

虽然没有实际观测过宇宙学弦，但是可以从理论上推测宇宙学弦的很多特征。

华东理工大学理论物理研究所所长李新洲在20世纪90年代发表的论文中表示，宇宙学弦细，横向尺度只有10-29厘米，但质量极大，其线密度约为1厘米1022克，或光年107太阳的质量。

因为这根宇宙弦的引力很大。 广义相对论指出，引力等效于时空弯曲。 因此，宇宙学弦周围空之间会产生锥状的形变，绕一根宇宙学弦旋转不足360度。 这种畸变把宇宙学弦变成了透镜，使宇宙学弦后面天体发射的光子能够通过两条可能的路径到达观测者。 因为这一天的体会折射成了具有相等亮度的两个像。

这意味着什么？

近年来，研究人员发现存在红移几乎相等的星系和恒星对。 有学者提出了疑问:这些不是实际的物理现象，而是同一光源由宇宙学弦的引力透镜效应形成的双像吗？ 虽然不知道现在的结论是否正确，但不得不承认宇宙线的存在为我们观测多个魔法天文现象提供了新的构想。

研究宇宙学的意义不仅如此。 蔡一夫说，所有宇宙学弦都能发射引力波，总量很少，但物理学家希望在目前迅速发展的引力波天文学中有所突破。 另外，如果宇宙弦在诞生时正好带电，这样的宇宙弦就是超导弦，就像看到了高压电线裸露时的放电现象，或者为了能够解释迅速的电波风暴等各种感兴趣的天体物理效应的起源，会有很多放电现象。

另外，宇宙线产生得非常早，有可能与宇宙微波背景辐射发生在同一时代或之前，因此宇宙微波背景辐射受到宇宙线的影响。

蔡一夫告诉科技日报记者，宇宙学弦周围空之间的锥畸形本来在静止状态下就很少被感知到，但如果宇宙微波背景辐射和宇宙学弦相对运动，则缺乏这一立场，宇宙微波背景辐射将产生温差。 这就是为什么很多学者投身于宇宙微波的背景辐射中去追踪宇宙线的痕迹。

检测:成为21厘米氢气线或主力

但是，有些学者并不期望过度依赖宇宙的微波背景辐射来探测宇宙学弦。

奥斯卡·南德斯在副本中表示，现阶段人类制造的微波装置并不完美，分辨率也有限，结合这些因素，将会失去一定程度的新闻，而依赖宇宙微波背景辐射的研究，则无法避免这些误差。 因此，需要超越宇宙微波背景辐射的测量方法。 21厘米氢气线的干扰强度测量可能会为新闻提供更丰富的图像。

蔡一夫表示，21厘米氢气线的干扰强度测量是未来的天文观测手段，目前该技术发展迅速。

宇宙大爆炸后，宇宙中的质子和电子结合成为原子。 虽然当时普通物质中氢占绝大多数，但电磁光谱中几乎没有发射或吸收光子。 因此，氢几乎看不见，宇宙是透明的。 但是，氢中唯一的电子是怪人，电子本来就有顺、逆时针两个自旋方向，其真正的自旋往这两个方向往复时会发射或吸收光子。 由于该光子的波长约为21厘米，因此将其射线称为21厘米氢气线。

蔡一夫指出，20世纪40年代，有科学家从理论上预言了天文观测宇宙中21厘米氢气线的存在，并很快被观测所证实。 但是，由于该信号太弱，只能确认这些信号的存在，但无法准确测量其大小和其他性质，目前天文实验正在努力提高测量技术。

宇宙膨胀引起的红移，现在我们观测的21厘米的氢气线的波长也在增加。 宇宙有密度的混乱。 也就是说，有些地区的膨胀速度很快，有些地区的膨胀速度很慢，测得的21厘米氢气线的波长略有不同。 据此，可以反过来推测当时的21cm氢气线经过怎样的旅行最终到达地球。

如果能够进行准确的观测，宇宙初期产生的21厘米的氢气线将记录当时的宇宙状态，包括宇宙学弦的影响。 蔡一夫说。

当然，这种测量方法不仅有助于检查宇宙学弦的存在，也有助于更深入地了解宇宙重电离期和最早恒星形成期的状态。 因为这是未来天文实验技术必须尽快突破的重要行业。 (实习记者在紫月)