引力波“記憶”能否幫助我們找到神秘的宇宙弦？|引力波|宇宙弦

新浪科技訊 北京時間5月31日消息，據國外媒體報道，關於早期宇宙的許多理論都預測宇宙中應該充滿了時空裂縫，即所謂的“宇宙弦”。然而，直到目前，科學家還沒有探測到宇宙弦。近日一項新研究提出，我們或許可以通過引力波特徵來尋找宇宙弦，而不必通過傳統的天文學方法。在宇宙弦消失後的很長一段時間內，引力波特徵可能仍存在於時空中。

宇宙在誕生還不到1秒的時候，就經歷了其存在過程中最激烈、最具變革性的相變——這一過程直至一百多億年後的今天都未再次出現過。在這些相變中，（假設性的）統一力分裂成了獨立的基本力（引力、強核力、弱核力和電磁力），使宇宙完全重組。

隨着力的分裂，時空的基本量子真空能量重新組合，以支持新的力。但這種調整並不完美。想象一下托盤裡的水凍結成冰塊時的過程：當相變發生時，不同區域的水會以不同的方式形成冰晶；在冰的某些部分，水分子朝一個方向排列，形成晶體，而在冰的其他部分，水分子會沿着不同的方向排列。無論是何種情況，當溫度足夠低時，所有的水都會凍結成冰，但具有不同晶體排列方式的區域之間會出現瑕疵。

我們可以把這些瑕疵視爲冰塊上的裂縫和缺陷。在宇宙中，如果想要看到時空的裂縫和缺陷，科學家就必須付出更多的努力。在宇宙的早期相變中出現的裂縫可能來自不同的維度，但最常見的可能是一維裂縫，即宇宙弦——與弦理論中的超弦無關。簡單來說，我們可以將宇宙弦視爲宇宙誕生最初階段超高溫相變的遺蹟，即相變中線狀的缺陷。

產生波瀾

遭遇宇宙弦可能會十分可怕。這一物理概念由物理學家亞歷山大·維倫金等研究者在1981年提出，認爲宇宙大爆炸產生的威力可能會形成無數細而長，且能量高度集聚的管子，稱爲宇宙弦。這種物質的形態可能是封閉的環，不會比質子更寬（比原子還細），但不到1英里的宇宙弦或許就能容納整個地球的質量。由於宇宙弦會以某種方式牽拉時空結構，因此可以在不完全轉動360度的情況下繞弦一週。宇宙弦也會分解來自任何背景物體的光，使它們出現雙影像。根據宇宙弦如何與其他粒子和力相互作用的方式，它們可能發出強烈的輻射和高能粒子。宇宙弦還可能延伸到整個宇宙。

尋找宇宙弦的最好方法並不是尋找“弦”本身，而是尋找它們與自身或其他物體的糾纏。當這種情況發生時，就會形成由弦物質組成的環。這些環極其不穩定，會發生瘋狂的振動，並在釋放出足夠的能量之後消失。

許多關於早期宇宙的理論預言宇宙弦應該無處不在。事實上，宇宙學家曾經認爲宇宙弦應當常見到足以構成宇宙中最大結構的骨架。但一次又一次的調查都沒有發現任何結果，既沒有獲得遙遠星系的雙重圖像，也沒有發現環振動至消失時發出的閃光。

因此，最近發表在預印本數據庫arXiv.org上的一篇新論文提出了一種新的方法：我們應該尋找間接的跡象，比如宇宙弦在時空本身上留下的印記，而不是尋找它們存在的直接證據。

尋找宇宙弦留下的引力波“記憶”

宇宙弦的環具有大得令人難以置信的質量，而且極其不穩定。這是一個非常強有力的組合，足以產生相當數量的時空漣漪——引力波。換言之，宇宙弦是以引力輻射的形式失去大部分能量的，因此所產生的引力波應該是能被觀察到的。不過，尋找單個環所產生的引力波可能並不容易，天文學家認爲目前的儀器還沒有足夠的靈敏度，無法像探測合併黑洞那樣探測到單個環形弦的振動。

當然，引力波並不完全像水波或聲波。它們不只是穿越時空，還會可以永久地使時空變形，在背景中留下有關它們經過時的“記憶”。引力波的這種特性，就好像每一個聲音無論傳到哪裡，都會發出微弱的、永久的嗡嗡聲。

在最近的這項研究中，天體物理學家Alexander C。 Jenkins和Mairi Sakellariadou探索了宇宙弦的環振動時留下的引力波“記憶”的本質。他們發現，當環中形成尖點和扭結時，會產生最強的引力波，它們所留下的“記憶”也會最強。

目前天文學家還沒有找到任何有關宇宙弦的證據，理論物理學家們也一直想知道宇宙弦是否在很久以前就已經消散，沒有留下任何痕跡。但如果能找到由宇宙弦產生的引力波所留下的“記憶”，我們就能探測到宇宙弦的痕跡，即使它們已經不存在。

當然，關鍵的問題仍然是：我們能探測到這些“記憶”嗎？現在下結論還爲時過早。我們通常用於探測引力的方法往往會在宇宙弦環尖端附近的極端環境中失效，因此還不能確定其周圍的時空會受到什麼影響。

一種可能性是環尖端釋放的引力能立即形成了小型黑洞。在這種情況下，將只有很少的引力波記憶會留下來，因爲大部分的能量將會被重新導向用於形成黑洞。但是，如果所有的能量都用於形成引力波，那它們的記憶就可以被下一代探測器——如基於太空的激光干涉儀空間天線（LISA）——探測到。

引力波記憶是廣義相對論的關鍵預測之一，天文學家一直努力發展觀測這些信號所需的技術，儘管進展相對緩慢。找到關於宇宙弦的記憶將會帶來雙重的回報，既證實了愛因斯坦廣義相對論的預測，又是第一次檢測到宇宙誕生第1秒內的遺蹟。當然，要最終解開宇宙弦的奧秘，天文學家恐怕還需要很長的時間。（任天）

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宇宙中可能存在着大爆炸最初階段的遺蹟——宇宙弦　　新浪科技訊北京時間5月31日消息，據國外媒體報道，關於早期宇宙的許多理論都預測宇宙中應該充滿了時空裂縫，即所謂的“宇宙弦”。然而，直到目前，科學家還沒有探測到宇宙弦。近日一項新研究提出，我們或許可以通過引力波特徵來尋找宇宙弦，而不必通過傳統的天文學方法。在宇宙弦消失後的很長一段時間內，引力波特徵可能仍存在於時空中。　　宇宙在誕生還不到1秒的時候，就