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，掩蓋了無數(shù)未知的秘密，宇宙弦便是其中之一。

近期，來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)印本的在線數(shù)據(jù)庫arXiv.org上分享了一種觀點(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，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厘米氫線的擾動強(qiáng)度測量”這種新型的探測方式上。

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厘米氫線的擾動強(qiáng)度測量”如何為人們找尋宇宙弦提供新思路?

起源：相變之能量遺跡

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。然而，該理論并非完美無瑕。

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。

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。

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)大的引力將周圍的物質(zhì)吸引過來，成為恒星、星系誕生的“種子”。只不過以現(xiàn)有的探測手段尚未發(fā)現(xiàn)宇宙弦的蹤跡。

那么，宇宙弦究竟是什么?

“在回答這個(gè)問題之前，我想先提一個(gè)大家相對比較熟悉的名詞：相變。”中國科學(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報(bào)記者采訪時(shí)說。

相變在我們?nèi)粘Ｉ钪斜缺冉允牵缢畠龀杀㈣F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)合出我們見到的熟悉的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。“相變過程伴隨著能量釋放，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)。”

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”，但還是吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者的殷殷目光。

特性：弦細(xì)質(zhì)大光扭曲

雖未曾真實(shí)觀測到宇宙弦，但我們?nèi)钥梢詮睦碚撋贤茢喑鲇钪嫦业闹T多特性。

時(shí)任華東理工大學(xué)理論物理研究所所長李新洲曾在20世紀(jì)90年代公開發(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，其線密度約為每厘米1022克，或每光年107太陽質(zhì)量。

因此宇宙弦的引力十分可觀。而廣義相對論指出，引力與時(shí)空彎曲是等效的。因此，宇宙弦的周圍空間會產(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)射的光子可通過兩條可能的路徑到達(dá)觀測者，因此該天體會被折射成有相等亮度的兩個(gè)像。

這意味著什么?

近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了成對存在、紅移幾乎相等的星系或類星體。有學(xué)者便提出了疑問：這些會不會并非真實(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測到許多神奇的天文現(xiàn)象提供了新的思路。

研究宇宙弦的意義不止于此。在蔡一夫看來，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，那么這樣的宇宙弦屬于超導(dǎo)弦，會有很多放電現(xiàn)象，就如同我們看到高壓電線在電線裸露時(shí)的放電現(xiàn)象類似，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。

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受到宇宙弦的影響。

蔡一夫告訴科技日報(bào)記者，宇宙弦周圍空間的錐畸形原本在靜止的狀態(tài)下很難被察覺，但如果宇宙微波背景輻射與宇宙弦發(fā)生相對運(yùn)動，那么這種角度缺失就會導(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。

探測：21厘米氫線或成主力

然而，也有學(xué)者并不看好過度依賴于宇宙微波背景輻射探測宇宙弦的方法。

奧斯卡·赫爾南德斯在文章中提到，現(xiàn)階段人類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，會造成一定程度的信息丟失，凡是依賴于宇宙微波背景輻射的研究，皆躲不過這些誤差。因此，我們需要一個(gè)超越宇宙微波背景輻射的測量方式，也許“21厘米氫線的擾動強(qiáng)度測量”將會為我們提供信息更加豐富的圖譜。

據(jù)蔡一夫介紹，21厘米氫線的擾動強(qiáng)度測量是一種未來的天文觀測手段，目前這一技術(shù)還在發(fā)展之中。

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)方向上來回變化時(shí)，它就會釋放或者吸收一個(gè)光子，該光子的波長約為21厘米，所以將其輻射線稱為21厘米氫線。

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)言了天文觀測宇宙21厘米氫線的存在，并很快被觀測所證實(shí)。但由于這種信號過于微弱，我們只能確認(rèn)這些信號的存在但無法精確測量大小和其他性質(zhì)，目前天文實(shí)驗(yàn)還在努力提高測量技術(shù)。

宇宙膨脹導(dǎo)致紅移，如今我們觀測到的21厘米氫線的波長也會有所增加。宇宙中存在密度擾動，即某些區(qū)域膨脹速度快一些，有些區(qū)域慢一些，測得的21厘米氫線的波長會有細(xì)微的差別。由此可反推當(dāng)時(shí)的21厘米氫線經(jīng)歷了怎樣的旅程最終到達(dá)地球。

“如果能實(shí)現(xiàn)精確觀測，那么發(fā)生在宇宙早期的那些21厘米氫線將會記錄當(dāng)時(shí)的宇宙狀態(tài)，包括宇宙弦的影響。”蔡一夫說。

當(dāng)然，這種測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)，因此是未來天文實(shí)驗(yàn)技術(shù)急需突破的關(guān)鍵領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 宇宙弦 21厘米氫線