尋找宇宙大爆炸的最初的遺跡——宇宙弦

如何尋找宇宙弦存在過的證據(jù)？通過引力波記憶效應(yīng)也許是個(gè)有效的途徑

火熖星云（圖片來源：NASA/DSS處理）

很多關(guān)于早期宇宙的理論預(yù)言宇宙應(yīng)該充斥著大量的裂隙，被稱為宇宙弦。但是目前為止一條這樣的宇宙弦都沒有被探測(cè)到?，F(xiàn)在，一個(gè)新的思路提出，尋找宇宙弦，我們可能需要通過他們的引力波特征，而不是通過傳統(tǒng)的天文學(xué)方法。因?yàn)樵谟钪嫦蚁е蠛芫?，其引力波特征仍可以在時(shí)空長(zhǎng)時(shí)間存在。

宇宙在最初的不到一秒的時(shí)間里，它本身的存在經(jīng)歷了最劇烈和最具可變性的相變——這一壯舉直到現(xiàn)在，數(shù)十億年（譯者：？？不是100多億年嗎？）后仍不可重復(fù)。這些相變徹底將宇宙重組，將（假定的）統(tǒng)一力分裂為不同的基本作用力：引力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁力。

當(dāng)力被分解，最基本時(shí)空量子真空能量重新組合自身而成新的基本力。但是這樣的重新組合并不完美。想像水在冰格內(nèi)結(jié)成小冰塊，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生改變，不同位置的水是同時(shí)向著各個(gè)不同的方向排列結(jié)成冰晶體的。在冰的某一個(gè)部分，水分子的晶格排列向著不同的方向。不管怎樣，當(dāng)溫度足夠低，所有的水都會(huì)凝結(jié)冰，但是在兩個(gè)不同的結(jié)晶排列之間會(huì)出現(xiàn)缺陷。

你在小冰塊中能看到那些缺陷像裂紋和瑕疵。但是要觀察這些裂紋和瑕疵在時(shí)空中發(fā)展，我們的困難要大得多。這些在早期宇宙相變時(shí)出現(xiàn)的缺陷會(huì)發(fā)展成各種不同的形態(tài)，但是最常見的形態(tài)很可能是一維的裂紋，就是我們所知的宇宙弦（與弦理論的超弦無關(guān)）。

引力波的形成

遭遇一條宇宙弦將會(huì)是很可怕的情景。它的寬度小于一個(gè)質(zhì)子，但是它不到一英里的長(zhǎng)度就可以達(dá)地球的質(zhì)量。（譯者注：如此大質(zhì)量的物體造成時(shí)空畸變也是很大的）,利用宇宙弦會(huì)拉扯時(shí)空結(jié)構(gòu)的特性，你可以不用旋轉(zhuǎn)360度就繞它一周。（譯者注：同樣的性質(zhì)造成的引力透鏡作用），宇宙弦還可以將任何背景物體的光線分光。使背景物體呈現(xiàn)出雙影像。依賴于其它的粒子和力的相互作用，宇宙弦可以被強(qiáng)輻射和高能粒子流激發(fā)而發(fā)光。

尋找宇宙弦的最好的方式不是直接找它自身，而是尋找它在處于它與自身或其它宇宙弦扭結(jié)在一起的時(shí)候的特征。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，會(huì)形成由糾纏的絲狀構(gòu)成的環(huán)。這些環(huán)極其不穩(wěn)定，發(fā)瘋地振動(dòng)直到它們發(fā)射出所有能量而消失不見。

很多關(guān)于宇宙早期的理論預(yù)測(cè)宇宙弦應(yīng)該普遍存在。實(shí)際上，宇宙學(xué)家們?cè)?jīng)以為宇宙弦是如此常見，甚至它們形成了宇宙中最大的骨架結(jié)構(gòu)。但是一次次的探測(cè)之后什么都沒有發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星空顯現(xiàn)雙影像，也沒有發(fā)現(xiàn)（宇宙弦形成的）環(huán)在其消逝之前的振動(dòng)而產(chǎn)生幅射的閃光。

于是，最近一篇收錄在arXiv.org預(yù)印在線數(shù)據(jù)庫的新論文提出一個(gè)新的途徑：與其尋找宇宙弦存的在直接跡象，我們不如去尋找間接的證據(jù)，比如說他們?cè)跁r(shí)空本身留下的痕跡。

記憶效應(yīng)的形成

宇宙弦環(huán)是非常巨大（規(guī)模）和極其不穩(wěn)定的。那是一種強(qiáng)大的組合，能產(chǎn)生足夠數(shù)量的引力波，從而在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生漣漪。但是這種獨(dú)特的環(huán)對(duì)我們來說沒什么用，用檢測(cè)黑洞合并的方法，當(dāng)前的儀器敏感度達(dá)不到檢測(cè)出一個(gè)單獨(dú)的振動(dòng)環(huán)。

但是引力波并不完全類似于水波或者聲波。它們并不僅僅是在時(shí)空中傳遞；它們會(huì)永久地使時(shí)空發(fā)生變形，在其經(jīng)過時(shí)在時(shí)空中創(chuàng)造出一個(gè)背景“記憶”。想像一下每個(gè)聲音在經(jīng)過的每一生都產(chǎn)生一個(gè)微小的，永久性的嗡嗡聲----那就是引力波能做到的。

在最近的研究中，宇宙學(xué)家們探測(cè)了由宇宙弦環(huán)留下的引力波記憶的性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)弦環(huán)在相交處和打結(jié)處形成的引力波最強(qiáng)烈，而這些引力波產(chǎn)生的記憶效應(yīng)也最強(qiáng)。

因?yàn)樘煳膶W(xué)家迄今為止都未能發(fā)現(xiàn)宇宙弦存在的證據(jù)，理論學(xué)者們長(zhǎng)久以來一直懷疑宇宙弦在很久以前就消失了，并在此之前沒有留下任何證據(jù)。但是相反的，如果我們尋找它們留下的引力波記憶，我們就能發(fā)現(xiàn)宇宙弦曾經(jīng)存在的痕跡，即使它們現(xiàn)在已經(jīng)不存在了。

但是一個(gè)關(guān)鍵問題依然存在：我們能找到這些記憶嗎？很不幸，現(xiàn)在回答這個(gè)問題還有點(diǎn)為時(shí)過早。我們認(rèn)識(shí)引力的常用方法使我們傾向于在極強(qiáng)的引力環(huán)境下在弦環(huán)的交點(diǎn)附近打破弦環(huán)，于是我們不能確定在周圍的時(shí)空中它會(huì)造成什么影響。

一種可能性是引力勢(shì)能在交點(diǎn)處釋放會(huì)立即形成小黑洞。如果是這樣，幾乎沒有引力波記憶效應(yīng)存留,絕大多數(shù)的能量被用于構(gòu)成黑洞了。但是，如果所有的能量都用于形成引力波，那么引力波記憶是能被下一代的探測(cè)器探測(cè)出的，比如說激光干涉太空探測(cè)器。

引力波記憶效應(yīng)是廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)測(cè)，而且天文學(xué)家們?cè)谡业竭@一效應(yīng)的特征點(diǎn)方面，已經(jīng)在技術(shù)上有了一些緩慢的必要的進(jìn)展。發(fā)現(xiàn)宇宙弦的記憶效應(yīng)將會(huì)是雙倍的收獲——對(duì)愛因斯坦的廣義相對(duì)論的證實(shí)以及首次探測(cè)到宇宙形成第一秒時(shí)的遺跡。

BY:Paul Sutter

FY:Mice Above The Clouds 浮云之神鼠

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