【宇宙弦】
拼译：cosmiic string
1972年以来，一些科学家提出，当宇宙从原始热大爆炸状态冷却下来，电弱力与强力的对称性遭到破坏，约在“大爆炸”后的10－35s时，在空－时结构上会产生“裂隙”，犹如池水在冬季结冰时：起初，水面是均匀的液体，随着气温的下降，小块小块的冰开始分散地长出来，但不同地区的冰晶不一定都有相同的取向，因此，当冰块长大互相挤压时，就会出现裂缝和断层等“缺陷”一样。这种由某些基本粒子物理学的大统一场论所预言的空一时缺陷有零维(点)、一维(线)和二维(面)3种：零维的是磁单极子(Magnetic Monopole)，二维的叫做畴壁(Domain Wall)，一维的便是宇宙弦。
理论学家赋予宇宙弦下列两个特性：(1)宇宙弦无始无终，要末伸展到无穷远处，要末形成闭合的环圈，大约宇宙弦长度的20%已形成小的宇宙弦环，其余80%在宇宙中延伸，但它们并非笔直，而是弯弯曲曲的。全部宇宙弦，包括环圈，在宇宙间形成一个网络，弥漫于整个空间；(2)宇宙弦非常纤细，但却十分重：直径比原子还要小，细到10－30cm，质量完全决定于其张力，拉得越长、绷得越紧，质量越大，其线密度可高达每厘米1022g。1985年，维伦金(A．Vilenkin)、韦顿(E．Witten)等人提出了超导宇宙弦的概念。他们认为，宇宙弦可以携带巨大的电流，这是由于整个宇宙弦是均匀的，。所以带电粒子可以在其上自由移动，使宇宙弦成为超导体。但当电流变得很大时，例如，高达1020安培时，粒子的能量便高到足以脱离宇宙弦，弦本身乃失去超导性，变为正常的宇宙弦，同时产生能量粒子的灾难性爆发。宇宙弦这一概念不但可以说明星系的诞生和宇宙大尺度结构的形成，类星体的能源以及关于银河系附近许多高速星系相对于宇宙背景辐射的运动等，它还可以起到引力透镜的作用，产生远方光源的双像。许多天文学家，包括前苏联泽尔多维奇(只．Б．зenвдович)，曾设想星系和星系团确系在我们宇宙的极早期遗留下来的宇宙弦圈上生成，以后当宇宙演变到暴胀时期急剧长大的。这一宇宙弦圈“播种”星系的问题在超导宇宙弦的概念提出后有了新的发展。如果在早期宇宙中存在过原始磁场，则当超导宇宙弦圈形成时磁场将在圈中诱导起强大的振荡电流，从而发射出功率极强的电磁辐射。一根典型的弦圈在极短时间内将释放出
的巨大能量，它们以热能形式倾注于星系际气体或前星系际气体之中，将原始物质推开，在宇宙空间中吹出许多直径
兆光年的巨大气泡，当诸气泡碰撞时，其中的物质被压缩成气泡壁，而星系和星系团就在这些狭壁中形成。这一假说能够解释天文学家近10多年来观测到的星系在空间中的泡沫状分布结构。但米歇尔(D．Mit chell)和屠罗克(N．Turok)的研究结果却认为一切宇宙弦都将被切断为尽可能小的圈圈，从而否定了长宇宙弦与弦圈平衡构形的存在，这意味着宇宙空间不可能由宇宙弦所主宰，这对星系形成的宇宙弦学说是一记否定。维伦金和费尔德(G．B．Field)提出了将超导宇宙弦圈作为类星体中心发电机的建议。从原理上说，宇宙弦振动时极易形成尖角，从尖角发射出来的高度准直的强射束足够将束中的粒子加速到超相对论性速度，以至于能在周围的等离子体中切开一条沟道，与河外射电源中的相对论性喷流相似。这一理论模型可以代替由来已久的类星体能源来自其中心大质量黑洞的概念。但霍根(C．J．Hogan)提出了来自宇宙弦圈的辐射是不对称的观点，它们有如被“火箭”推进着的以高速在宇宙空间内游荡的圈环。如果大多数宇宙弦圈是在宇宙空间中飞行的话，则不可能用这样的弦圈来说明从类星体发射出来的喷流。大卫·伯恩斯坦(D．Burstein)等人对均匀分布在天空的400余个椭圆星系的退行速度及距离做了为期6年的探测，初步弄清了包括我们银河系在内的、一个直径为3．5亿光年大天球内的众多星系的随机运动或本动。他们发现：我们南面的长蛇－半人马超星系团(以及趋向于它的室女星系团和向室女星系团落去的我们银河系)、北面的英仙超星系团和孔雀座－印第安座天区的众多星系，除参与由热大爆炸决定的均匀宇宙膨胀运动外。还以每秒700km的速度(相对于3K宇宙微波背景)涌向同一方向——南十字星座。屠罗克等人认为，这是由于在早期宇宙中大质量宇宙弦圈所产生的足够强的引力拉曳作用导致了一直到今天我们观测到的这一星系流的整体运动。按照爱因斯坦相对论，在普通物质附近的空－时结构中会产生一个“引力凹坑”，但在巨大能量的宇宙弦附近，却产生一个顶点在弦上的锥形畸变，也就是说，宇宙弦局部地从空间移去了一个尖劈状的截面并将其裸露的两侧连接起来。这一效应的明显后果是围绕着宇宙弦的圆周所含角度小于360°，在合理假设下，所缺少角度可达10弧秒。这一时－空畸变将使来自运动着的宇宙弦后面的光线掠过弦旁时被折射产生光源的双像。1985年10～12月，夏威夷大学的胡(Esther M．Hu)和考伊(Lennox L．Cowie)用该校的2．2m的望远镜在R(红光)波段拍摄得类星体UM679附近一个小天区的CCD(电荷耦合器件)像，该像显示有4对“孪生”星系，双像的角距均大于2角秒。为了分辨出所探测到的每对星系的两个像是一个星系的双像还是互相绕行的两个不同的星系，胡决定在这一“双星系群场”内继续搜寻新的孪生星系，并在B(蓝光)及Ⅰ(近红外)波段比较它们的星等和颜色，结果在此纵横向各不到2角分的星系场内的144个星系中又找到另外4对孪生星系，各对星系的亮度及颜色两者均很接近，在原先的4对中剔除了亮度差别稍大的一对，她认为类星体UM679附近天区的这7对孪生星系的发现可初步证明可能是宇宙弦所产生的远方星系的双像。如果星系确是以宇宙弦圈为“种籽”并围绕着它诞生的话，则弦圈将越来越小，终于消失，而在此过程中将爆发出引力波。英、美及德国的一些科学家正在建造灵敏度更高的引力波探测装置，来自宇宙弦的引力辐射将作为其他引力波(如来自超新星爆发时的引力波)的背景辐射被这些装置探测到。中国学者在宇宙弦的研究上近几年来也做了不少工作，他们在用宇宙弦概念探讨星系形成、星系成团、宇宙的大尺度结构以及宇宙弦的引力透镜效应等方面都做出了自己的贡献，特别是中国科学技术大学天体物理中心所探讨的有宇宙弦的热暗物质宇宙中的成团问题的研究为国际天文界所瞩目。【参考文献】：1 Vilenkin A. Phys Rev Lett,1982,46:172 WittenE. Nucl Phys, 1985,B246:5573 Mitchell D,Turok N. Phys Rev Lett,1987,58:15774 Vilenkin A,Field G B. Nature, 1987,326:7725 HoganC J. Nature, 1987,326:8536 许槑．天文爱好者，1986，12∶277 Shellard E PS, et al. Nature, 1987,326:6728 Cowie L L,Hu E M. Astrophys J,1987,318:L339 Hu E M. Astrophys J,1990,360,L710 New Scientist, 1990,1728:32(北京天文台许槑高级工程师撰)