物理学家从大爆炸中看到宇宙弦的迹象

宇宙学家认为,宇宙创生之初,大自然的所有力在短短的一秒钟之内都是统一的。但是随着宇宙的膨胀和冷却,“原”力被分解成四中基本力:万有引力,电磁力以及强力和弱力。

根据某些模型,宇宙的冷却过程太过迅速,以至于时空结构都破裂了,形成了一个由纯能量填充稀薄的管状网络,遍布于可观察的宇宙。

这就是宇宙弦的可能的起源。

关于它的理论出现在1970年代,显然已超出了可实验的范围(宇宙弦的质量起码和星系同级)。但是,现在,几位物理学家认为他们已经瞥见了这些巨大结构的首个证据。

“最初的迹象看起来非常有希望,”欧洲实验室CERN的理论物理学家Kai Schmitz说。但是他指出,离宣称发现了宇宙弦,还有很长的路要走。

“如果找到了宇宙弦,那将是本世纪的最重大科研结果。”伦敦国王学院(King’s London)研究早期宇宙的宇宙学的Eugene Lim说。 “但是引用卡尔·萨根(Carl Sagan)的话,‘非同寻常的观点需要非同寻常的证据’,现在证据还很少。”

暗示宇宙弦存在的新数据来自NANOGrav。NANOGrav是天文学家组织,他们密切关注着数十个旋转的脉冲星。

脉冲星从两极发出射电脉冲,因此从地球上能看到它们有规则的闪烁,就像海岸上的灯塔一样。

脉冲星是最精确的宇宙计时器。因此,当它们不准的时候,物理学家就知道有什么怪事发生了。研究人员尤其关注由引力波引起的畸变——当它们通过脉冲星时,会改变射线到地球的时间。这些引力波可能来自宇宙弦的撞击,超大质量黑洞的碰撞或其他剧烈的宇宙过程。

NANOGrav最新的结果于9月9日在线发布,汇总了横跨北美各地的射电望远镜对数十个脉冲星超12年的观测结果。论文仍在同行评审中,但是研究人员发现,某些东西以相同的方式扭曲了所有脉冲星发出的脉冲,其频率与引力波的期望值相同。另外,干扰仍有可能来自未知的常见噪声源。

“我们无法确定是噪音还是重力波引力波信号,”国际脉冲星计时阵列(International Pulsar Timing Array)前主席Alberto Sesana说,该联盟是由NANOGrav组成的项目联盟。

NANOGrav的论文激起了研究宇宙弦的物理学家的特别迅速的反应。Schmitz说:“大家争分夺秒地想写出第一篇论文……”

几天之内,就有论文论证道,如果这些弦是在宇宙具有超高温时产生的,那么这些数据就可以得到解释。超高温时的宇宙“总会在物理学家之间敲响钟声”,因为据信那是强力、弱力和电磁力统一在一起的时刻。

在大爆炸之后,统一的力经历一系列类似于液态水冻结成冰的相变(对称性破缺),从而分离出四种自然基本力。这种偶然的过程可能会在宇宙时空中形成裂缝,就像在冰块中看到的裂缝一样。

另一个更具推测性(亦即更不具现实性~)的解释是,宇宙弦可能来自弦理论中微小的弦。一些弦理论模型提出,在宇宙最初快速膨胀期间,弦可能被拉伸长巨大的规模。这些宇宙弦的张力以及弦环的断裂方式会产生独特的引力波信号,从而将它们与其他类型区别开来。

另外,NANOGrav的重力引力波信号可能来自超大质量黑洞,与宇宙弦不同,黑洞已知存在的天体。

几乎每个大型星系,包括银河系,中心都有一个超大质量的黑洞,其质量是太阳的数百万或数十亿倍。如果两个星系合并,它们的黑洞将开始彼此旋转,并同时产生引力波。

问题是,我们从未见过超大规模黑洞合并。 “令人尴尬的是,我们不知道他们是否发生过合并。”普林斯顿大学的天文学家Jenny Greene说。

在9月16日在线发表的一篇论文里,国王学院的粒子物理学家John Ellis和合作者发现,NANOGrav信号的形状看起来更像是宇宙弦的,而不是超大质量黑洞的。他说:“数据似乎更偏向宇宙弦的解释,但也没偏太多。”

其他研究人员试图穷极各种可能。

“就我个人而言,正确的做法是坐下来等待更多数据。但是,你知道,大家都很焦躁。”Lim说。

与NANOGrav一起,欧洲脉冲星定时阵列和澳大利亚的Parkes脉冲星定时阵列将在适当时候发布自己的数据。中国新型的500米FAST望远镜和南非的MeerKAT望远镜阵列也正在联合寻找脉冲星的引力波。 “我们共同收集和分析数据,以建立对证据的信心。”

原文:https://www.quantamagazine.org/pulsar-data-may-point-to-cosmic-strings-from-the-big-bang-20200929/

0

更多精彩

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*