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微波背景辐射是宇宙中最古老的光。自从宇宙大爆炸以来，它就变成了微波，充满了整个空间，掩盖了无数未知的秘密，宇宙弦就是其中之一。

最近，加拿大麦吉尔大学McGill University的研究员奥斯卡·埃尔南德斯Oscar Hernandez在arxiv上分享了这一观点。arxiv是一个包含全球科学文献预印本的在线数据库，可以使用卷积神经网络程序，在复杂的宇宙微波背景辐射的"噪声"中找到特定宇宙弦的痕迹。然而，这种方法仍然难以实践，因为在现实中，几乎不可能获得足够清晰的宇宙微波背景数据，以便程序"跟踪"宇宙弦。因此，研究人员寄希望于"21厘米氢谱线扰动强度的测量"，这是一种新的探测方法。

宇宙弦到底是什么？为什么许多天文学家和物理学家对它着迷？21厘米氢线扰动强度的测量如何为人们找到宇宙弦提供了一种新的途径？

起源 相变的能量遗迹

大爆炸理论不仅是学术界大多数学者所接受的宇宙形成理论，也是现代宇宙学中最具影响力的理论之一。然而，这一理论并非完美无缺。

大爆炸论认为，宇宙有从热到冷的演化历史。在这一时期，宇宙不断膨胀，物质密度由稠密向稀疏演化，即宇宙是由大爆炸后的稠密和热奇点的膨胀而形成的。

从理论上讲，这种演化应该是均匀的、大范围的各向同性的。但事实上，天体的高密度聚集成星系、云等，几乎弥漫了星际空间的真空。

实践是检验真理的唯一标准。这个不均衡的宇宙事实显然迫切需要一个新的解释。是什么导致恒星、星系等巨大群体的形成破坏了宇宙的统一性？一些学者提出了"宇宙弦"的概念。他们认为，宇宙中可能充满了大量的宇宙弦，其强大的引力吸引着周围的物质，成为恒星和星系诞生的"种子"。然而，通过现有的探测手段，还没有发现任何宇宙弦的踪迹。

那么，宇宙弦到底是什么？

在回答这个问题之前，我想提一个比较熟悉的术语 相变。"中国科技大学物理学院天文学教授蔡一夫在接受"科技日报"采访时说。

在我们的日常生活中，相变无处不在，比如水冻成冰，铁磁体变成顺磁性等等。"我们宇宙的历史是一段不断变化的热膨胀史。在这个过程中，基本粒子产生，基本粒子凝结成元素，元素最终组合成我们所看到的熟悉的物理结构。"相变过程伴随着能量释放，能量释放的一种方式是形成上述各级的粒子结构。宇宙弦是宇宙经历相变时释放能量的同一能量结构，"蔡说。"这是当时宇宙大小的绳子一样的能量结构。

当然，还有其他形式的能量释放，比如宇宙壁或磁单极子。但从理论上讲，这种形式远不如基本粒子和宇宙弦那么稳定，而且会在宇宙演化的后期消失。宇宙的弦是如此的稳定和强大，有可能在宇宙中存活下来，留给现在。因此，即使宇宙弦的存在还不是"真正的锤子"，但仍然吸引了国内外许多学者的注意。

特点 弦细，光失真大

虽然宇宙弦还没有被观测到，但我们仍然可以从理论上推断宇宙弦的许多特征。

当时华东理工大学理论物理研究所所长李新洲在上世纪 90 年代发表了一篇论文，指出宇宙弦很细，横向尺度只有 1029 厘米，但质量很大，线密度约为每厘米 1022 克，即每光年太阳的质量。

所以宇宙弦的引力是相当可观的。广义相对论指出重力等于时空弯曲。因此，宇宙弦周围的空间将产生圆锥形变形，围绕着一个小于 360 度的圆周的宇宙弦。这种扭曲将宇宙弦变成透镜，允许宇宙弦后面的天体发射的光子通过两条可能的路径到达观察者，从而使天体被折射成两幅亮度相等的图像。

那是什么意思？

近年来，研究人员发现，星团或类星体成对存在，几乎具有相同的红移。一些学者问，它们是否是真实的物理现象，而是由同一光源的引力透镜效应形成的双重图像。虽然还不清楚这一结论是否正确，但必须承认，宇宙弦的存在为我们观察许多神奇的天文现象提供了新的思路。

对宇宙弦的研究不止于此。蔡逸夫认为，所有的宇宙弦都可以释放引力波，虽然总量并不大，但物理学家仍然希望在今天蓬勃发展的引力波天文学上取得突破。而且，如果宇宙弦在诞生时恰好带电，那么这种宇宙弦就是超导弦，会有很多放电现象，就像我们看到电线暴露时高压电线的放电现象一样，或者能够解释各种有趣的天体物理效应的起源，如无线电风暴等。

此外，由于宇宙弦产生得很早，并且可能与宇宙微波背景辐射同时或更早产生，宇宙微波背景辐射将受到宇宙弦的影响。

蔡逸夫在接受 "科技日报" 采访时说，宇宙弦周围空间的锥形变形本来是很难在静止状态下探测到的，但如果宇宙微波背景辐射相对于宇宙弦移动，那么这个角度的缺失将导致宇宙微波背景辐射的温差。这就是为什么许多学者致力于在宇宙微波背景辐射中追求宇宙弦。

探测 21 厘米氢气线或主力线

然而，一些学者对过度依赖宇宙微波背景辐射探测宇宙弦的方法并不乐观。

奥斯卡·埃尔南德斯Oscar Hernandez 在中提到，人类制作的微波仪器并不完美，现阶段的分辨率有限，综合起来，这些因素都会造成一定程度的信息损失，所有依赖于宇宙微波本底辐射的研究都无法避免这些误差。因此，我们需要一种测量宇宙以外微波背景辐射的方法，或许 "21 厘米氢线扰动强度测量" 将为我们提供一个更丰富的地图。

据蔡一夫介绍，21 厘米氢线扰动强度的测量是一种未来天文观测方法，目前该技术仍在开发中。

宇宙大爆炸之后，宇宙中的质子和电子结合成原子。当时，氢占了普通物质的绝大部分，但它基本上没有释放或吸收电磁波光谱中的光子，所以氢几乎是看不见的，而宇宙是透明的。但氢中唯一的电子是 "反常" 的。电子最初有两个自旋方向，顺时针方向和逆时针方向。当它的真正自旋在这两个方向上来回变化时，它释放或吸收一个波长约为 21 厘米的光子，因此它的辐射线被称为 21 厘米氢线。

蔡逸夫指出，早在 20 世纪 40 年代，一些科学家就从理论上预测了天文观测宇宙中 21 厘米氢线的存在，并很快得到了观测的证实。然而，由于这一信 太弱，我们只能确认这些信 的存在，而不能准确地测量这些信 的大小和其他性质，天文实验仍在努力改进测量技术。

宇宙的膨胀会导致红移，现在我们观察到的 21 厘米氢线的波长也会增加。宇宙中存在着密度扰动，即一些区域扩张得更快，一些区域变慢，测量到的 21 厘米氢线的波长略有不同，因此可以推断出 21 厘米氢线当时经过并最终到达地球的路线是怎样的。

如果能实现准确的观测，宇宙早期出现的 21 厘米氢线将记录当时的宇宙状态，包括宇宙弦的影响。" 蔡逸夫说。

当然，这种测量方法不仅是检验宇宙弦的存在，也可以帮助人们更好地了解宇宙在再电离期和早期恒星形成期的状态，是未来天文实验技术突破的一个关键领域。

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