微波背景輻射是宇宙中最古老的光,自大爆炸之後,穿越了漫長的時間與空間後成為了微波,充盈在整個宇宙空間裡,掩蓋了無數未知的秘密,宇宙弦便是其中之一。
近期,來自加拿大麥吉爾大學的研究人員奧斯卡·赫爾南德斯等在收錄全球科學文獻預印本的在線資料庫arXiv.org上分享了一種觀點,即可利用卷積神經網絡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。
但該方法目前實踐起來,仍困難重重,因為現實中幾乎不可能得到足夠清晰的宇宙微波背景數據供該程序「追蹤」宇宙弦。因此,研究人員將希望寄託於「21釐米氫線的擾動強度測量」這種新型的探測方式上。
宇宙弦究竟是什麼?為何讓諸多天文學家、物理學家為之著迷不已?「21釐米氫線的擾動強度測量」如何為人們找尋宇宙弦提供新思路?
大爆炸理論是目前學界多數學者認同的宇宙形成理論,也是現代宇宙學中最有影響力的一種學說。然而,該理論並非完美無瑕。
大爆炸理論認為,宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡,宇宙在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,即宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於一次大爆炸後膨脹形成的。
理論上講,這種演化在大尺度上應是均勻且各向同性的。但事實上,天體高密度聚集成星系、雲團等瀰漫在近乎真空的星際間。
實踐是檢驗真理的唯一標準。這種不均勻的宇宙事實顯然急需一種新的解釋。是什麼導致了恆星、星系等一些破壞宇宙均勻性的巨大團體形成?有學者便提出了「宇宙弦」這一概念。他們認為,宇宙中也許充斥著大量的宇宙弦,憑藉其強大的引力將周圍的物質吸引過來,成為恆星、星系誕生的「種子」。只不過以現有的探測手段尚未發現宇宙弦的蹤跡。
那麼,宇宙弦究竟是什麼?
「在回答這個問題之前,我想先提一個大家相對比較熟悉的名詞:相變。」中國科學技術大學物理學院天文系教授蔡一夫在接受科技日報記者採訪時說。
相變在我們日常生活中比比皆是,例如水凍成冰、鐵磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經歷的歷史就是一個不斷發生相變的熱膨脹歷史,在這個過程中有基本粒子的產生,基本粒子凝合成元素,元素最後結合出我們見到的熟悉的物質結構。「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層次的粒子結構。」蔡一夫表示,「宇宙弦就是宇宙經歷相變時釋放能量形成的一根根與當時的宇宙尺度相當的繩子一樣的能量結構。」
當然,能量釋放的結果也有其他的形態,如宇宙牆或者磁單極子。但是從理論上分析,這樣的形態遠不如基本粒子、宇宙弦穩定,會在宇宙演化後期消失掉。
而宇宙弦異常穩定和堅固,從而有可能在宇宙中存活下來並遺留到現在。因此,即便宇宙弦是否存在尚未獲得「實錘」,但還是吸引了國內外眾多學者的殷殷目光。