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宇宙弦是否存在 答案可能藏在21厘米氫線(xiàn)中

2020-01-14 09:13:49 來(lái)源:科技日?qǐng)?bào) 作者: 點(diǎn)擊圖片瀏覽下一頁(yè)

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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(zhǎng)的時(shí)間與空間后成為了微波,充盈在整個(gè)宇宙空間里,掩蓋了無(wú)數(shù)未知的秘密,宇宙弦便是其中之一。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

近期,來(lái)自加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員奧斯卡·赫爾南德斯等在收錄全球科學(xué)文獻(xiàn)預(yù)印本的在線(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)arXiv.org上分享了一種觀(guān)點(diǎn),即可利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)踐起來(lái),仍困難重重,因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中幾乎不可能得到足夠清晰的宇宙微波背景數(shù)據(jù)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(xiàn)的擾動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量”這種新型的探測(cè)方式上。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

宇宙弦究竟是什么?為何讓諸多天文學(xué)家、物理學(xué)家為之著迷不已?“21厘米氫線(xiàn)的擾動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量”如何為人們找尋宇宙弦提供新思路?hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

起源:相變之能量遺跡hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

大爆炸理論是目前學(xué)界多數(shù)學(xué)者認(rèn)同的宇宙形成理論,也是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響力的一種學(xué)說(shuō)。然而,該理論并非完美無(wú)瑕。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

大爆炸理論認(rèn)為,宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里,宇宙在不斷地膨脹,使物質(zhì)密度從密到稀地演化,即宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于一次大爆炸后膨脹形成的。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

理論上講,這種演化在大尺度上應(yīng)是均勻且各向同性的。但事實(shí)上,天體高密度聚集成星系、云團(tuán)等彌漫在近乎真空的星際間。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。這種不均勻的宇宙事實(shí)顯然急需一種新的解釋。是什么導(dǎo)致了恒星、星系等一些破壞宇宙均勻性的巨大團(tuán)體形成?有學(xué)者便提出了“宇宙弦”這一概念。他們認(rèn)為,宇宙中也許充斥著大量的宇宙弦,憑借其強(qiáng)大的引力將周?chē)奈镔|(zhì)吸引過(guò)來(lái),成為恒星、星系誕生的“種子”。只不過(guò)以現(xiàn)有的探測(cè)手段尚未發(fā)現(xiàn)宇宙弦的蹤跡。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

那么,宇宙弦究竟是什么?hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

“在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我想先提一個(gè)大家相對(duì)比較熟悉的名詞:相變。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系教授蔡一夫在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

相變?cè)谖覀內(nèi)粘I钪斜缺冉允?,例如水凍成冰、鐵磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經(jīng)歷的歷史就是一個(gè)不斷發(fā)生相變的熱膨脹歷史,在這個(gè)過(guò)程中有基本粒子的產(chǎn)生,基本粒子凝合成元素,元素最后結(jié)合出我們見(jiàn)到的熟悉的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。“相變過(guò)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(gè)層次的粒子結(jié)構(gòu)。”蔡一夫表示,“宇宙弦就是宇宙經(jīng)歷相變時(shí)釋放能量形成的一根根與當(dāng)時(shí)的宇宙尺度相當(dāng)?shù)睦K子一樣的能量結(jié)構(gòu)。”hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

當(dāng)然,能量釋放的結(jié)果也有其他的形態(tài),如宇宙墻或者磁單極子。但是從理論上分析,這樣的形態(tài)遠(yuǎn)不如基本粒子、宇宙弦穩(wěn)定,會(huì)在宇宙演化后期消失掉。而宇宙弦異常穩(wěn)定和堅(jiān)固,從而有可能在宇宙中存活下來(lái)并遺留到現(xiàn)在。因此,即便宇宙弦是否存在尚未獲得“實(shí)錘”,但還是吸引了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的殷殷目光。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

特性:弦細(xì)質(zhì)大光扭曲hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

雖未曾真實(shí)觀(guān)測(cè)到宇宙弦,但我們?nèi)钥梢詮睦碚撋贤茢喑鲇钪嫦业闹T多特性。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

時(shí)任華東理工大學(xué)理論物理研究所所長(zhǎng)李新洲曾在20世紀(jì)90年代公開(kāi)發(fā)表論文指出,宇宙弦很細(xì),它的橫向尺度僅為10-29厘米,但質(zhì)量極大,其線(xiàn)密度約為每厘米1022克,或每光年107太陽(yáng)質(zhì)量。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

因此宇宙弦的引力十分可觀(guān)。而廣義相對(duì)論指出,引力與時(shí)空彎曲是等效的。因此,宇宙弦的周?chē)臻g會(huì)產(chǎn)生錐形畸變,繞一根宇宙弦周邊轉(zhuǎn)一圈小于360度。這樣的畸變把宇宙弦變成了一個(gè)透鏡,讓處在宇宙弦后面的天體發(fā)射的光子可通過(guò)兩條可能的路徑到達(dá)觀(guān)測(cè)者,因此該天體會(huì)被折射成有相等亮度的兩個(gè)像。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

這意味著什么?hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

近年來(lái),研究人員發(fā)現(xiàn)了成對(duì)存在、紅移幾乎相等的星系或類(lèi)星體。有學(xué)者便提出了疑問(wèn):這些會(huì)不會(huì)并非真實(shí)的物理現(xiàn)象,而是同一光源由于宇宙弦的引力透鏡效應(yīng)所形成的雙像?雖然目前結(jié)論正確與否還未可知,但不得不承認(rèn),宇宙弦的存在為我們觀(guān)測(cè)到許多神奇的天文現(xiàn)象提供了新的思路。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

研究宇宙弦的意義不止于此。在蔡一夫看來(lái),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(xué)家還是希望能在現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的引力波天文學(xué)中有所突破。再者,如果宇宙弦恰好在誕生時(shí)刻帶電的話(huà),那么這樣的宇宙弦屬于超導(dǎo)弦,會(huì)有很多放電現(xiàn)象,就如同我們看到高壓電線(xiàn)在電線(xiàn)裸露時(shí)的放電現(xiàn)象類(lèi)似,或?qū)⒛芙忉尫N種有趣的天體物理效應(yīng)的起源,如快速射電暴等。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

此外,由于宇宙弦產(chǎn)生得很早,并有可能與宇宙微波背景輻射產(chǎn)生于同一時(shí)代或者更早時(shí)期,因此宇宙微波背景輻射會(huì)受到宇宙弦的影響。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

蔡一夫告訴科技日?qǐng)?bào)記者,宇宙弦周?chē)臻g的錐畸形原本在靜止的狀態(tài)下很難被察覺(jué),但如果宇宙微波背景輻射與宇宙弦發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),那么這種角度缺失就會(huì)導(dǎo)致宇宙微波背景輻射上發(fā)生溫度差異。這也是為何很多學(xué)者投身于宇宙微波背景輻射中追尋宇宙弦蹤跡的原因。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

探測(cè):21厘米氫線(xiàn)或成主力hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

然而,也有學(xué)者并不看好過(guò)度依賴(lài)于宇宙微波背景輻射探測(cè)宇宙弦的方法。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

奧斯卡·赫爾南德斯在文章中提到,現(xiàn)階段人類(lèi)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(huì)造成一定程度的信息丟失,凡是依賴(lài)于宇宙微波背景輻射的研究,皆躲不過(guò)這些誤差。因此,我們需要一個(gè)超越宇宙微波背景輻射的測(cè)量方式,也許“21厘米氫線(xiàn)的擾動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量”將會(huì)為我們提供信息更加豐富的圖譜。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

據(jù)蔡一夫介紹,21厘米氫線(xiàn)的擾動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量是一種未來(lái)的天文觀(guān)測(cè)手段,目前這一技術(shù)還在發(fā)展之中。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

宇宙大爆炸之后,宇宙中的質(zhì)子和電子結(jié)合成原子。當(dāng)時(shí)普通的物質(zhì)中,氫占了絕大多數(shù),但它在電磁譜中基本不會(huì)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(gè)電子是個(gè)“怪胎”,電子原本有順、逆時(shí)針兩個(gè)自旋方向,當(dāng)它的真實(shí)自旋在這兩個(gè)方向上來(lái)回變化時(shí),它就會(huì)釋放或者吸收一個(gè)光子,該光子的波長(zhǎng)約為21厘米,所以將其輻射線(xiàn)稱(chēng)為21厘米氫線(xiàn)。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

蔡一夫指出,早在上世紀(jì)40年代,就有科學(xué)家從理論上預(yù)言了天文觀(guān)測(cè)宇宙21厘米氫線(xiàn)的存在,并很快被觀(guān)測(cè)所證實(shí)。但由于這種信號(hào)過(guò)于微弱,我們只能確認(rèn)這些信號(hào)的存在但無(wú)法精確測(cè)量大小和其他性質(zhì),目前天文實(shí)驗(yàn)還在努力提高測(cè)量技術(shù)。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

宇宙膨脹導(dǎo)致紅移,如今我們觀(guān)測(cè)到的21厘米氫線(xiàn)的波長(zhǎng)也會(huì)有所增加。宇宙中存在密度擾動(dòng),即某些區(qū)域膨脹速度快一些,有些區(qū)域慢一些,測(cè)得的21厘米氫線(xiàn)的波長(zhǎng)會(huì)有細(xì)微的差別。由此可反推當(dāng)時(shí)的21厘米氫線(xiàn)經(jīng)歷了怎樣的旅程最終到達(dá)地球。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

“如果能實(shí)現(xiàn)精確觀(guān)測(cè),那么發(fā)生在宇宙早期的那些21厘米氫線(xiàn)將會(huì)記錄當(dāng)時(shí)的宇宙狀態(tài),包括宇宙弦的影響。”蔡一夫說(shuō)。hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

當(dāng)然,這種測(cè)量方式不僅僅是為了檢驗(yàn)宇宙弦的存在,它也可以幫助人們更進(jìn)一步了解宇宙在重電離時(shí)期以及最早的恒星形成時(shí)期的狀態(tài),因此是未來(lái)天文實(shí)驗(yàn)技術(shù)急需突破的關(guān)鍵領(lǐng)域。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)hft福鼎新聞網(wǎng)|今日福鼎|福鼎新聞信息權(quán)威發(fā)布平臺(tái)

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