广义相对论：爱因斯坦预言的宇宙弦，能通过引力波记忆找到吗？

寻找宇宙大爆炸的最初的遗迹——宇宙弦

如何寻找宇宙弦存在过的证据？通过引力波记忆效应也许是个有效的途径

火熖星云（图片来源：NASA/DSS处理）

很多关于早期宇宙的理论预言宇宙应该充斥着大量的裂隙，被称为宇宙弦。但是目前为止一条这样的宇宙弦都没有被探测到。现在，一个新的思路提出，寻找宇宙弦，我们可能需要通过他们的引力波特征，而不是通过传统的天文学方法。因为在宇宙弦消失之后很久，其引力波特征仍可以在时空长时间存在。

宇宙在最初的不到一秒的时间里，它本身的存在经历了最剧烈和最具可变性的相变——这一壮举直到现在，数十亿年（译者：？？不是100多亿年吗？）后仍不可重复。这些相变彻底将宇宙重组，将（假定的）统一力分裂为不同的基本作用力：引力、强相互作用力、弱相互作用力、电磁力。

当力被分解，最基本时空量子真空能量重新组合自身而成新的基本力。但是这样的重新组合并不完美。想像水在冰格内结成小冰块，当状态发生改变，不同位置的水是同时向着各个不同的方向排列结成冰晶体的。在冰的某一个部分，水分子的晶格排列向着不同的方向。不管怎样，当温度足够低，所有的水都会凝结冰，但是在两个不同的结晶排列之间会出现缺陷。

你在小冰块中能看到那些缺陷像裂纹和瑕疵。但是要观察这些裂纹和瑕疵在时空中发展，我们的困难要大得多。这些在早期宇宙相变时出现的缺陷会发展成各种不同的形态，但是最常见的形态很可能是一维的裂纹，就是我们所知的宇宙弦（与弦理论的超弦无关）。

引力波的形成

遭遇一条宇宙弦将会是很可怕的情景。它的宽度小于一个质子，但是它不到一英里的长度就可以达地球的质量。（译者注：如此大质量的物体造成时空畸变也是很大的）,利用宇宙弦会拉扯时空结构的特性，你可以不用旋转360度就绕它一周。（译者注：同样的性质造成的引力透镜作用），宇宙弦还可以将任何背景物体的光线分光。使背景物体呈现出双影像。依赖于其它的粒子和力的相互作用，宇宙弦可以被强辐射和高能粒子流激发而发光。

寻找宇宙弦的最好的方式不是直接找它自身，而是寻找它在处于它与自身或其它宇宙弦扭结在一起的时候的特征。当这种情况发生时，会形成由纠缠的丝状构成的环。这些环极其不稳定，发疯地振动直到它们发射出所有能量而消失不见。

很多关于宇宙早期的理论预测宇宙弦应该普遍存在。实际上，宇宙学家们曾经以为宇宙弦是如此常见，甚至它们形成了宇宙中最大的骨架结构。但是一次次的探测之后什么都没有发现，没有发现遥远的星空显现双影像，也没有发现（宇宙弦形成的）环在其消逝之前的振动而产生幅射的闪光。

于是，最近一篇收录在arXiv.org预印在线数据库的新论文提出一个新的途径：与其寻找宇宙弦存的在直接迹象，我们不如去寻找间接的证据，比如说他们在时空本身留下的痕迹。

记忆效应的形成

宇宙弦环是非常巨大（规模）和极其不稳定的。那是一种强大的组合，能产生足够数量的引力波，从而在时空结构中产生涟漪。但是这种独特的环对我们来说没什么用，用检测黑洞合并的方法，当前的仪器敏感度达不到检测出一个单独的振动环。

但是引力波并不完全类似于水波或者声波。它们并不仅仅是在时空中传递；它们会永久地使时空发生变形，在其经过时在时空中创造出一个背景“记忆”。想像一下每个声音在经过的每一生都产生一个微小的，永久性的嗡嗡声—-那就是引力波能做到的。

在最近的研究中，宇宙学家们探测了由宇宙弦环留下的引力波记忆的性质。他们发现弦环在相交处和打结处形成的引力波最强烈，而这些引力波产生的记忆效应也最强。

因为天文学家迄今为止都未能发现宇宙弦存在的证据，理论学者们长久以来一直怀疑宇宙弦在很久以前就消失了，并在此之前没有留下任何证据。但是相反的，如果我们寻找它们留下的引力波记忆，我们就能发现宇宙弦曾经存在的痕迹，即使它们现在已经不存在了。

但是一个关键问题依然存在：我们能找到这些记忆吗？很不幸，现在回答这个问题还有点为时过早。我们认识引力的常用方法使我们倾向于在极强的引力环境下在弦环的交点附近打破弦环，于是我们不能确定在周围的时空中它会造成什么影响。

一种可能性是引力势能在交点处释放会立即形成小黑洞。如果是这样，几乎没有引力波记忆效应存留,绝大多数的能量被用于构成黑洞了。但是，如果所有的能量都用于形成引力波，那么引力波记忆是能被下一代的探测器探测出的，比如说激光干涉太空探测器。

引力波记忆效应是广义相对论的一个重要预测，而且天文学家们在找到这一效应的特征点方面，已经在技术上有了一些缓慢的必要的进展。发现宇宙弦的记忆效应将会是双倍的收获——对爱因斯坦的广义相对论的证实以及首次探测到宇宙形成第一秒时的遗迹。

BY:Paul Sutter

FY:Mice Above The Clouds 浮云之神鼠

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