物理學家從大爆炸中看到了宇宙弦的跡象——世紀性的發現

什麼是物理爆炸

宇宙學家認為，在宇宙誕生之初，所有的自然力都在一瞬間統一了起來。但隨著宇宙的膨脹和冷卻，這種統一的力必然會分解成我們熟悉的力：引力、電磁力、強力和弱力。

根據一些計算，宇宙可能冷卻得非常快，以至於時空結構斷裂，形成了一個由純能量填充的網路，延伸到整個可觀測宇宙的寬度。

這是宇宙弦的一個可能的情況。

早在20世紀70年代就有預測，宇宙弦早就超出了實驗的範圍。然而現在，一些物理學家認為他們已經看到了這些巨大的一維結構存在的證據。

“我的直覺是，這些初步跡象看起來很有希望，”歐洲核子研究中心的理論物理學家凱施密茨說。但他指出，在任何人宣稱發現之前還有很長的路要走。

“如果我們發現了宇宙弦，那將是一個世紀性成果，”倫敦國王學院宇宙學家尤金·林說。“但是，用卡爾·薩根的話來說，‘非凡的主張需要非凡的證據’，而現在的證據有點不足。”

來自納格拉夫的新資料可能表明宇宙弦的存在，納格拉夫是一組天文學家，他們一直在密切關注著幾十顆被稱為脈衝星的旋轉死亡恆星。

脈衝星從它們的兩極發射出無線電波，所以當這些電波從地球上掃過我們的視線時，我們可以看到有規律的閃光，就像燈塔的閃光一樣。事實上，脈衝星光點看起來是如此不規則，以至於1967年第一個脈衝星被命名為“小綠人”。

脈衝星是最精確的宇宙計時器。因此，當它們的光點被扭曲時，物理學家就知道出了問題。特別是，研究人員尋找引力波造成的扭曲——當引力波穿過脈衝星時，會改變光點到達地球時的時空波動。這些引力波可能來自於宇宙弦的撞擊，超大質量黑洞的碰撞，或者其他猛烈的宇宙過程。

納格拉夫的最新分析報告於9月9日釋出在網上，彙總了12年來對分佈在北美各地的射電望遠鏡觀測到的幾十個脈衝星的資料。研究人員發現，有些東西以同樣的方式扭曲了所有脈衝星發出的光點，而且頻率與預期的引力波相同。仍然有可能這個圖案是來自脈衝星中一些未知的、常見的噪聲源。

理論家們已經開始對納格拉夫的試探性訊號的宇宙解釋進行推測，儘管這個訊號缺乏一個強有力的特徵來證明它是引力波。科學家們還需要更多的脈衝星計時資料，才能確定它們的訊號是否具有這一關鍵特徵。

“我們不能確定這是噪音還是引力波訊號，”阿爾貝託·塞薩納說，他是國際脈衝星定時陣列的前主席。

如果宇宙弦是由一定的超高溫時產生的，那麼這些資料可以被解釋為來自宇宙弦。這個溫度在物理學中“總會敲響警鐘”，因為在這個溫度下強、弱和電磁力被認為是統一的。

在大爆炸之後，透過一系列的相變（類似於液態水凍結成冰），統一的力會分離出來，形成我們今天看到的自然力。這種偶然的過程可能創造了時空中的宇宙弦裂縫，就像你在冰塊裡看到的裂縫一樣。

宇宙會一直膨脹，宇宙弦也會跟著膨脹。但有時，弦會自我摺疊或與其他弦碰撞，導致迴圈在能量爆發時被切斷。這些弦環會在數十億年的時間裡持續擺動，在釋放引力波的過程中逐漸失去能量。施密茲說：“這與彈奏小提琴的弦非常相似。”

位於西弗吉尼亞州的格林班克天文臺，納格羅夫專案使用的幾個射電望遠鏡之一。

總的來說，這些振動迴路會產生納格羅夫可能看到的那種引力波訊號。如果這是真的，這將是物理學家開啟的關於原始相變的第一個視窗。

另一種可能性是宇宙弦可能來自弦理論中微小的振動弦。一些弦理論模型提出，在宇宙最初的快速膨脹中，弦可能已經增長到巨大的比例。這些型別的宇宙弦的張力和絃環如何脫離的差異將創造出獨特的引力波特徵，將它們與其他型別區分開來。國王學院的粒子物理學家約翰埃利斯懷疑這些新資料是弦理論的證據。

另外，納格羅夫可能的引力波訊號可能來自超大質量黑洞，與宇宙弦不同的是，超大質量黑洞是已知存在的。

幾乎每一個大型星系，包括銀河系，在其中心都有一個超大質量的黑洞，其質量是太陽的百萬或數十億倍。如果兩個星系合併，它們的黑洞將開始圍繞對方旋轉，並在它們旋轉的過程中產生引力波。

超大質量黑洞的合併從未被發現過。“令人尷尬的是，我們不知道它們是否會合並。這在我們的知識中是一個巨大的漏洞，”普林斯頓大學的天文學家珍妮·格林說。“是要10億年，還是要等到更接近宇宙年齡的時候，它們才會走到一起？”

早在9月16日釋出在網上的一篇論文中，埃利斯和他的一個合作者發現，納格羅夫訊號的形狀看起來更像是宇宙弦的形狀，而不是超大質量的黑洞。“資料似乎更傾向於宇宙弦的解釋，但不是很多，”埃利斯說。

其他研究人員已經探索了納格羅夫可能看到的是原始黑洞或暗物質輻射的可能性。“就我個人而言，我應該做的是坐下來等待更多的資料。但是，我們都沒有耐心，”林說。

除了納格羅夫之外，歐洲脈衝星計時陣列和澳大利亞的帕克斯脈衝星計時陣列也將在適當的時候釋出它們自己的資料。賽薩納說，中國新的500米高速望遠鏡和南非的MeerKAT望遠鏡陣列也加入到尋找脈衝星引力波的國際努力中。“我們一起工作，收集和分析資料，以建立信心。”