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引力波记忆能否帮助我们找到神秘的宇宙弦

2021-05-31 12:20:01 来源:新浪科技
引力波记忆能否帮助我们找到神秘的宇宙弦

宇宙中可能存在着大爆炸最初阶段的遗迹——宇宙弦

  新浪科技讯 北京时间5月31日消息,据国外媒体报道,关于早期宇宙的许多理论都预测宇宙中应该充满了时空裂缝,即所谓的“宇宙弦”。然而,直到目前,科学家还没有探测到宇宙弦。近日一项新研究提出,我们或许可以通过引力波特征来寻找宇宙弦,而不必通过传统的天文学方法。在宇宙弦消失后的很长一段时间内,引力波特征可能仍存在于时空中。

  宇宙在诞生还不到1秒的时候,就经历了其存在过程中最激烈、最具变革性的相变——这一过程直至一百多亿年后的今天都未再次出现过。在这些相变中,(假设性的)统一力分裂成了独立的基本力(引力、强核力、弱核力和电磁力),使宇宙完全重组。

  随着力的分裂,时空的基本量子真空能量重新组合,以支持新的力。但这种调整并不完美。想象一下托盘里的水冻结成冰块时的过程:当相变发生时,不同区域的水会以不同的方式形成冰晶;在冰的某些部分,水分子朝一个方向排列,形成晶体,而在冰的其他部分,水分子会沿着不同的方向排列。无论是何种情况,当温度足够低时,所有的水都会冻结成冰,但具有不同晶体排列方式的区域之间会出现瑕疵。

  我们可以把这些瑕疵视为冰块上的裂缝和缺陷。在宇宙中,如果想要看到时空的裂缝和缺陷,科学家就必须付出更多的努力。在宇宙的早期相变中出现的裂缝可能来自不同的维度,但最常见的可能是一维裂缝,即宇宙弦——与弦理论中的超弦无关。简单来说,我们可以将宇宙弦视为宇宙诞生最初阶段超高温相变的遗迹,即相变中线状的缺陷。

  产生波澜

  遭遇宇宙弦可能会十分可怕。这一物理概念由物理学家亚历山大·维伦金等研究者在1981年提出,认为宇宙大爆炸产生的威力可能会形成无数细而长,且能量高度集聚的管子,称为宇宙弦。这种物质的形态可能是封闭的环,不会比质子更宽(比原子还细),但不到1英里的宇宙弦或许就能容纳整个地球的质量。由于宇宙弦会以某种方式牵拉时空结构,因此可以在不完全转动360度的情况下绕弦一周。宇宙弦也会分解来自任何背景物体的光,使它们出现双影像。根据宇宙弦如何与其他粒子和力相互作用的方式,它们可能发出强烈的辐射和高能粒子。宇宙弦还可能延伸到整个宇宙。

  寻找宇宙弦的最好方法并不是寻找“弦”本身,而是寻找它们与自身或其他物体的纠缠。当这种情况发生时,就会形成由弦物质组成的环。这些环极其不稳定,会发生疯狂的振动,并在释放出足够的能量之后消失。

  许多关于早期宇宙的理论预言宇宙弦应该无处不在。事实上,宇宙学家曾经认为宇宙弦应当常见到足以构成宇宙中最大结构的骨架。但一次又一次的调查都没有发现任何结果,既没有获得遥远星系的双重图像,也没有发现环振动至消失时发出的闪光。

  因此,最近发表在预印本数据库arXiv.org上的一篇新论文提出了一种新的方法:我们应该寻找间接的迹象,比如宇宙弦在时空本身上留下的印记,而不是寻找它们存在的直接证据。

  寻找宇宙弦留下的引力波“记忆”

  宇宙弦的环具有大得令人难以置信的质量,而且极其不稳定。这是一个非常强有力的组合,足以产生相当数量的时空涟漪——引力波。换言之,宇宙弦是以引力辐射的形式失去大部分能量的,因此所产生的引力波应该是能被观察到的。不过,寻找单个环所产生的引力波可能并不容易,天文学家认为目前的仪器还没有足够的灵敏度,无法像探测合并黑洞那样探测到单个环形弦的振动。

  当然,引力波并不完全像水波或声波。它们不只是穿越时空,还会可以永久地使时空变形,在背景中留下有关它们经过时的“记忆”。引力波的这种特性,就好像每一个声音无论传到哪里,都会发出微弱的、永久的嗡嗡声。

  在最近的这项研究中,天体物理学家Alexander C。 Jenkins和Mairi Sakellariadou探索了宇宙弦的环振动时留下的引力波“记忆”的本质。他们发现,当环中形成尖点和扭结时,会产生最强的引力波,它们所留下的“记忆”也会最强。

  目前天文学家还没有找到任何有关宇宙弦的证据,理论物理学家们也一直想知道宇宙弦是否在很久以前就已经消散,没有留下任何痕迹。但如果能找到由宇宙弦产生的引力波所留下的“记忆”,我们就能探测到宇宙弦的痕迹,即使它们已经不存在。

  当然,关键的问题仍然是:我们能探测到这些“记忆”吗?现在下结论还为时过早。我们通常用于探测引力的方法往往会在宇宙弦环尖端附近的极端环境中失效,因此还不能确定其周围的时空会受到什么影响。

  一种可能性是环尖端释放的引力能立即形成了小型黑洞。在这种情况下,将只有很少的引力波记忆会留下来,因为大部分的能量将会被重新导向用于形成黑洞。但是,如果所有的能量都用于形成引力波,那它们的记忆就可以被下一代探测器——如基于太空的激光干涉仪空间天线(LISA)——探测到。

  引力波记忆是广义相对论的关键预测之一,天文学家一直努力发展观测这些信号所需的技术,尽管进展相对缓慢。找到关于宇宙弦的记忆将会带来双重的回报,既证实了爱因斯坦广义相对论的预测,又是第一次检测到宇宙诞生第1秒内的遗迹。当然,要最终解开宇宙弦的奥秘,天文学家恐怕还需要很长的时间。(任天)

原标题:引力波记忆能否帮助我们找到神秘的宇宙弦

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