物理学家从大爆炸中看到了宇宙弦的迹象——世纪性的发现

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膨胀宇宙中宇宙弦的模拟,白弦比宇宙的可观测斑块长。

宇宙学家认为,在宇宙诞生之初,所有的自然力都在一瞬间统一了起来。但随着宇宙的膨胀和冷却,这种统一的力必然会分解成我们熟悉的力:引力、电磁力、强力和弱力。

根据一些计算,宇宙可能冷却得非常快,以至于时空结构断裂,形成了一个由纯能量填充的网络,延伸到整个可观测宇宙的宽度。

这是宇宙弦的一个可能的情况。

早在20世纪70年代就有预测,宇宙弦早就超出了实验的范围。然而现在,一些物理学家认为他们已经看到了这些巨大的一维结构存在的证据。

“我的直觉是,这些初步迹象看起来很有希望,”欧洲核子研究中心的理论物理学家凯施密茨说。但他指出,在任何人宣称发现之前还有很长的路要走。

“如果我们发现了宇宙弦,那将是一个世纪性成果,”伦敦国王学院宇宙学家尤金·林说。“但是,用卡尔·萨根的话来说,‘非凡的主张需要非凡的证据’,而现在的证据有点不足。”

脉冲星摇摆


来自纳格拉夫的新数据可能表明宇宙弦的存在,纳格拉夫是一组天文学家,他们一直在密切关注着几十颗被称为脉冲星的旋转死亡恒星。

脉冲星从它们的两极发射出无线电波,所以当这些电波从地球上扫过我们的视线时,我们可以看到有规律的闪光,就像灯塔的闪光一样。事实上,脉冲星光点看起来是如此不规则,以至于1967年第一个脉冲星被命名为“小绿人”。

脉冲星是最精确的宇宙计时器。因此,当它们的光点被扭曲时,物理学家就知道出了问题。特别是,研究人员寻找引力波造成的扭曲——当引力波穿过脉冲星时,会改变光点到达地球时的时空波动。这些引力波可能来自于宇宙弦的撞击,超大质量黑洞的碰撞,或者其他猛烈的宇宙过程。

纳格拉夫的最新分析报告于9月9日发布在网上,汇总了12年来对分布在北美各地的射电望远镜观测到的几十个脉冲星的数据。研究人员发现,有些东西以同样的方式扭曲了所有脉冲星发出的光点,而且频率与预期的引力波相同。仍然有可能这个图案是来自脉冲星中一些未知的、常见的噪声源。

理论家们已经开始对纳格拉夫的试探性信号的宇宙解释进行推测,尽管这个信号缺乏一个强有力的特征来证明它是引力波。科学家们还需要更多的脉冲星计时数据,才能确定它们的信号是否具有这一关键特征。

“我们不能确定这是噪音还是引力波信号,”阿尔贝托·塞萨纳说,他是国际脉冲星定时阵列的前主席。

宇宙线

如果宇宙弦是由一定的超高温时产生的,那么这些数据可以被解释为来自宇宙弦。这个温度在物理学中“总会敲响警钟”,因为在这个温度下强、弱和电磁力被认为是统一的。

在大爆炸之后,通过一系列的相变(类似于液态水冻结成冰),统一的力会分离出来,形成我们今天看到的自然力。这种偶然的过程可能创造了时空中的宇宙弦裂缝,就像你在冰块里看到的裂缝一样。

宇宙会一直膨胀,宇宙弦也会跟着膨胀。但有时,弦会自我折叠或与其他弦碰撞,导致循环在能量爆发时被切断。这些弦环会在数十亿年的时间里持续摆动,在释放引力波的过程中逐渐失去能量。施密兹说:“这与弹奏小提琴的弦非常相似。”

位于西弗吉尼亚州的格林班克天文台,纳格罗夫项目使用的几个射电望远镜之一。

总的来说,这些振动回路会产生纳格罗夫可能看到的那种引力波信号。如果这是真的,这将是物理学家打开的关于原始相变的第一个窗口。

另一种可能性是宇宙弦可能来自弦理论中微小的振动弦。一些弦理论模型提出,在宇宙最初的快速膨胀中,弦可能已经增长到巨大的比例。这些类型的宇宙弦的张力和弦环如何脱离的差异将创造出独特的引力波特征,将它们与其他类型区分开来。国王学院的粒子物理学家约翰埃利斯怀疑这些新数据是弦理论的证据。

大型合并


另外,纳格罗夫可能的引力波信号可能来自超大质量黑洞,与宇宙弦不同的是,超大质量黑洞是已知存在的。

几乎每一个大型星系,包括银河系,在其中心都有一个超大质量的黑洞,其质量是太阳的百万或数十亿倍。如果两个星系合并,它们的黑洞将开始围绕对方旋转,并在它们旋转的过程中产生引力波。

超大质量黑洞的合并从未被发现过。“令人尴尬的是,我们不知道它们是否会合并。这在我们的知识中是一个巨大的漏洞,”普林斯顿大学的天文学家珍妮·格林说。“是要10亿年,还是要等到更接近宇宙年龄的时候,它们才会走到一起?”


早在9月16日发布在网上的一篇论文中,埃利斯和他的一个合作者发现,纳格罗夫信号的形状看起来更像是宇宙弦的形状,而不是超大质量的黑洞。“数据似乎更倾向于宇宙弦的解释,但不是很多,”埃利斯说。

其他研究人员已经探索了纳格罗夫可能看到的是原始黑洞或暗物质辐射的可能性。“就我个人而言,我应该做的是坐下来等待更多的数据。但是,我们都没有耐心,”林说。

除了纳格罗夫之外,欧洲脉冲星计时阵列和澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵列也将在适当的时候发布它们自己的数据。赛萨纳说,中国新的500米高速望远镜和南非的MeerKAT望远镜阵列也加入到寻找脉冲星引力波的国际努力中。“我们一起工作,收集和分析数据,以建立信心。”

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