资料来源：科技日报

微波背景辐射是宇宙中最古老的光。自大爆炸以来，它在穿越了很长一段时间和空间后变成了微波。它充满了整个宇宙空间，掩盖了无数未知的秘密。宇宙弦就是其中之一。

最近，来自加拿大麦吉尔大学的研究人员奥斯卡·赫尔南德斯等在线数据库包含全球科学文献预印本arXiv.org通过分享一种观点，我们可以利用卷积神经网络程序在复杂宇宙微波背景辐射的“噪声”中找到特定宇宙弦的痕迹。然而，由于现实中几乎不可能获得足够清晰的宇宙微波背景数据来“跟踪”宇宙弦，这种方法仍然很难实践。因此，研究人员希望将其寄托在“21cm氢线扰动强度测量”的新探测方法上。

什么是宇宙弦？为什么很多天文学家和物理学家都被它迷住了？如何为人们找到宇宙弦提供新的思路？

起源：相变能量遗迹

大爆炸理论是学术界大多数学者认可的宇宙形成理论，也是现代宇宙学中最具影响力的理论。然而，这个理论并不完美。

大爆炸理论认为，宇宙有一段从热到冷的进化史。在此期间，宇宙不断膨胀，使物质密度从密到稀进化，即宇宙在大爆炸后由一个致密而热的奇点膨胀形成。

理论上，这种进化应该在大规模上是均匀和同性的。但事实上，天体高密度聚集在几乎真空的星际之间，如星系和云团。

实践是检验真理的唯一标准。这种不均匀的宇宙事实显然需要新的解释。是什么导致了一些破坏宇宙均匀性的巨大群体，如恒星和星系？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，以其强大的引力吸引周围的物质，成为恒星和星系诞生的“种子”。只是宇宙弦的痕迹还没有通过现有的探测手段找到。

那宇宙弦到底是什么呢？

中国科技大学物理学院天文系教授蔡一夫在接受《科技日报》采访时说：“在回答这个问题之前，我想提到一个相对熟悉的术语：相变。”。

相变在我们的日常生活中随处可见，如水冻成冰，铁磁体变成顺磁体等。我们宇宙所经历的历史是一个不断变化的热膨胀历史。在这个过程中，有基本粒子的产生，基本粒子凝结成元素，元素最终结合了我们看到的熟悉的物质结构。“相变过程伴随着能量释放，能量释放的一种方式是形成各级粒子结构。蔡一夫说：“宇宙弦是宇宙经历相变时释放能量形成的能量结构，与当时的宇宙尺度相同。”

当然，还有其他形式的能量释放，如宇宙墙或磁单极子。然而，从理论上讲，这种形式远不如基本粒子和宇宙弦稳定，并将在宇宙进化的后期消失。宇宙弦非常稳定和坚固，因此它可能会在宇宙中生存并留下来直到现在。因此，即使宇宙弦是否存在尚未获得“真正的锤子”，它仍然吸引了国内外许多学者的注意。

特点:弦细大光扭曲:弦细大光扭曲

虽然没有真正观察到宇宙弦，但我们仍然可以从理论上推断出宇宙弦的许多特征。

时任华东理工大学理论物理研究所所长的李新洲曾在20世纪90年代公开发表论文，指出宇宙弦很细，横向尺度只有10-29cm，但质量很大，线密度约为每cm1022克，或每光年107太阳质量。

因此，宇宙弦的重力相当可观。广义相对论指出，重力等同于时空弯曲。因此，宇宙弦周围的空间会产生锥形畸变，在宇宙弦周围旋转不到360度。这种畸变将宇宙弦变成镜头，使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，因此天体将被反映成两个具有相同亮度的图像。

这是什么意思？

近年来，研究人员发现了几乎相同的成对星系或类星体。一些学者问：这些不是真正的物理现象，而是由于宇宙弦的引力透镜效应，同一光源形成的双像吗？虽然结论是否正确尚不清楚，但我们不得不承认，宇宙弦的存在为我们观察到许多神奇的天文现象提供了新的想法。

研究宇宙弦的意义不止于此。在蔡一夫看来，所有的宇宙弦都可以释放引力波。虽然总量不大，但物理学家仍然希望在蓬勃发展的引力波天文学中取得突破。此外，如果宇宙弦只是在出生时带电，那么这样的宇宙弦属于超导弦，会有很多放电现象，就像我们看到高压电线暴露时的放电现象一样，或者可以解释各种有趣的天体物理效应的起源，如快速射击暴力。

此外，宇宙微波背景辐射会受到宇宙弦的影响，因为宇宙弦产生得很早，并且可能与宇宙微波背景辐射产生在同一时代或更早。

蔡一夫告诉《科技日报》，宇宙弦周围空间的锥形畸形很难在静态状态下检测到，但如果宇宙微波背景辐射与宇宙弦相对运动，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的痕迹。

探测:21厘米氢线或成为主力

然而，一些学者对过度依赖宇宙微波背景辐射来探测宇宙弦并不乐观。

奥斯卡·赫尔南德斯在文章中提到，现阶段人类制造的微波仪器不完善，分辨率有限。这些因素加在一起，会造成一定程度的信息丢失。依靠宇宙微波背景辐射的研究无法避免这些误差。因此，我们需要一种超越宇宙微波背景辐射的测量方法。也许“21厘米氢线的扰动强度测量”将为我们提供更丰富的信息地图。

据蔡一夫介绍，21cm氢线的扰动强度测量是未来的天文观测手段，该技术仍在发展中。

宇宙大爆炸后，宇宙中的质子和电子结合成原子。氢占当时普通物质的绝大多数，但它基本上不会在电磁谱中释放或吸收光子。因此，氢几乎是看不见的，宇宙是透明的。然而，氢中唯一的电子是一个“怪胎”。电子最初有两个自旋方向：顺时针和逆时针。当它的真实自旋在这两个方向上来回变化时，它会释放或吸收光子。光子的波长约为21cm，因此辐射线称为21cm氢线。

蔡一夫指出，早在20世纪40年代，一些科学家理论上就预测了天文观测宇宙21厘米氢线的存在，并很快得到了观测的证实。然而，由于这些信号太弱，我们只能确认这些信号的存在，但不能准确测量大小和其他性质。目前，天文实验仍在努力改进测量技术。

宇宙膨胀导致红色移动，现在我们观察到的21厘米氢线的波长也会增加。宇宙中存在密度干扰，即某些区域膨胀速度较快，有些区域较慢，测量的21厘米氢线的波长会有细微的差异。这反映了21厘米氢线最终到达地球的旅程。

蔡一夫说：“如果能实现精确的观测，那么发生在宇宙早期的21厘米氢线将记录当时的宇宙状态，包括宇宙弦的影响。”。

当然，这种测量方法不仅是为了测试宇宙弦的存在，也是为了帮助人们进一步了解宇宙在重电离和最早恒星形成时期的状态，因此它是未来天文实验技术需要突破的关键领域。（实习记者 于紫月)