宇宙弦

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宇宙弦是假设的一维拓扑缺陷可能形成于symmetry-breaking 相变在宇宙早期拓扑的真空与对称性破缺相关的流形单连通每个字符串至少有一个哈勃体积已经形成。理论物理学家汤姆·基布尔在20世纪70年代首次提出了它们的存在。[1]

宇宙弦的形成在某种程度上类似于凝固液体中晶粒之间形成的不完美，或者是水冻结成冰时形成的裂缝。导致宇宙弦产生的相变很可能发生在宇宙演化的最早时刻，就在宇宙学暴涨之后，并且在两者中都是一个相当通用的预测量子场论和弦理论早期宇宙的模型。

包含宇宙弦的理论
在弦理论中，宇宙弦的作用可以由定义弦理论的基本弦（或f弦）本身来扮演扰动由d弦与f弦相关的弱-强或称为S-duality或更高维的d、ns或m膜，部分包裹在与额外时空维度相关的紧致循环上，因此只保留一个非紧致维度。[2]

具有宇宙弦的量子场论的典型例子是阿贝尔希格斯模型。量子场论和弦理论认为宇宙弦有许多共同的性质，但还需要更多的研究来确定精确的区分特征。例如，f弦是完全量子力学的，没有经典的定义，而场论宇宙弦几乎只被经典处理。

尺寸
宇宙弦，如果它们存在，将是非常薄的直径与质子的直径相同数量级。~ 1 fm或者更小。鉴于这个尺度比任何宇宙学尺度都要小得多，这些弦通常在零宽度或nambu-Goto近似下被研究。在这个假设下，字符串表现为一维对象，并服从nambu-Goto操作，这在经典上等价于波利亚科夫行动它定义了超弦理论.

在场论中，弦宽是由对称破缺相变的尺度决定的。在弦理论中，弦的宽度（在最简单的情况下）是由基本弦尺度、翘曲因子（与内部六维时空流形的时空曲率相关）和/或内部紧致维度的大小来设定的。（在弦理论中，宇宙要么是10维，要么是11维，这取决于相互作用的强度和时空的曲率。）

引力
字符串是欧几里德几何在以角亏缺为特征的时空中：绕弦外侧的一个圆包含一个小于360 °的总角。从广义相对论这种几何缺陷必须处于张力状态，并以质量表现出来。即使宇宙弦被认为是非常薄的，他们将有巨大的密度，因此将代表重要的引力波源。长度约一公里的宇宙弦可能比地球还要大。

然而广义相对论预言直弦的引力势消失：静止的周围物质上没有引力。直线宇宙弦的唯一引力效应是物质（或光）通过弦的相对偏转（纯粹的拓扑效应）。一个封闭的宇宙弦以更传统的方式被吸引。

在宇宙膨胀过程中，宇宙弦会形成一个环状网络，过去人们认为它们的引力可能是物质最初聚集成银河超星系团的原因。据计算，它们对宇宙结构形成的贡献不到10％。

负质量宇宙弦
宇宙弦的标准模型是一个有角度缺陷的几何结构，因此处于张力状态，因此具有正质量。1995年，维瑟 以及其他人提出宇宙弦理论上也可以存在角度过度，因此负张力，因此负质量。稳定性奇异物质字符串是有问题的；但是，他们建议，如果一个负质量字符串被包裹在一个虫洞在早期宇宙中，这样的虫洞可以足够稳定地存在于现在。[3][4]

超临界宇宙弦
宇宙弦的外部几何形状可以在嵌入图中显示如下：聚焦垂直于弦的二维表面，它的几何形状是一个锥体的几何形状，它是通过切出一个δ角楔形并将边缘粘合在一起得到的。角亏缺δ与弦张力（=单位长度质量）呈线性关系，即张力越大，锥体越陡。因此，在一定的临界值下，δ达到2 π，圆锥退化为圆柱体。对于更大的“超临界”值，δ超过2 π，（二维）外部几何闭合（变得紧凑），最终形成圆锥奇点。

然而，这种静态几何在超临界情况下是不稳定的（与亚临界张力不同）：小扰动导致动态时空以恒定的速率沿轴向扩展。2D外观仍然紧凑，但可以避免锥形奇点，嵌入的图片是一支正在生长的雪茄。对于更大的张力（超过临界值约1.6倍），管柱不能再在径向稳定。[5]

现实的宇宙弦的张力预计在临界值以下6个数量级，因此总是亚临界值。然而，膨胀的宇宙弦解决方案可能与膜宇宙学字符串提升为3-膜（相当于我们的宇宙）在六维的体积中。

观察证据
人们曾经认为宇宙弦的引力影响可能有助于物质的大规模聚集但今天通过星系巡天和精确测量宇宙微波背景（CMB）符合随机进化，高斯波动。因此，这些精确的观测倾向于排除宇宙弦的重要作用，目前已知宇宙弦对CMB的贡献不能超过10％。

宇宙弦的剧烈振荡通常导致尖点和结这反过来又导致部分字符串掐断成孤立的循环。这些循环有一个有限的寿命和衰变（主要）通过引力辐射。这种辐射导致来自宇宙弦的最强信号，反过来可能在引力波观测站中被探测到。一个重要的悬而未决的问题是，掐掉的循环在多大程度上会反作用或改变发射宇宙弦的初始状态--这种反作用效应在计算中几乎总是被忽视，而且已知是重要的，即使是数量级的估计。

引力透镜星系的直线部分会产生两张相同的、未扭曲的星系图像。2003年，米哈伊尔·萨津领导的一个研究小组报告说，在天空中意外发现了两个看似相同的星系，它们靠得很近，由此推测发现了一条宇宙弦。[6]然而，哈勃太空望远镜2005年1月的观测显示，它们是一对相似的星系，而不是同一星系的两张图像。[7][8]宇宙弦会产生类似的重复图像宇宙微波背景普朗克探测器探测到的。[9]然而，2013年对普朗克任务数据的分析未能找到任何宇宙弦存在的证据。[10]

支持宇宙弦理论的一个证据是在观测“双”类星体“叫Q0957+561A,B最初由丹尼斯沃尔什1979年，这颗类星体的双重图像是由位于它和地球之间的星系造成的引力透镜这个中间星系的效应使类星体的光线弯曲，使它沿着两条不同长度的路径到达地球。结果是，我们看到了同一个类星体的两个图像，一个在另一个之后很短的时间到达（大约417.1 天后）。然而，一组天文学家在哈佛－史密森天体物理中心由Rudolph Schild领导研究了类星体，发现在1994年9月至1995年7月期间，这两幅图像似乎没有时间延迟；两幅图像的亮度变化同时发生在四个不同的场合。Schild和他的团队认为，对这一观测结果的唯一解释是，在这段时间内，一条从地球和类星体之间穿过的宇宙弦以非常高的速度行进，并以大约100天的周期振荡。[11]

目前宇宙弦参数最敏感的边界来自脉冲星计时阵列数据对引力波的探测。[12]地界激光干涉仪引力波天文台（LIGO）特别是天基引力波探测器激光干涉仪空间天线（LISA）将搜索引力波，并很可能足够敏感，能够探测到来自宇宙弦的信号，前提是相关的宇宙弦张力不是太小。

弦理论与宇宙弦
在弦理论的早期，弦理论家和宇宙弦理论家都认为超弦和宇宙弦之间没有直接的联系（这些名字是通过与普通弦）。宇宙弦在早期宇宙中产生的可能性是由量子场论家汤姆·基布尔在1976年首次提出的，[1]这激起了人们对这一领域的第一波兴趣。1985年第一次超弦革命, 爱德华考虑了基本超弦在早期宇宙中产生并延伸到宏观尺度的可能性，在这种情况下（遵循汤姆·基布尔的命名），它们将被称为宇宙超弦。他的结论是，如果它们被产生，它们要么在到达宏观尺度之前就会分解成较小的弦（在第一类超弦理论的情况下），它们总是以畴壁的边界出现，其张力将迫使弦崩溃，而不是增长到宇宙尺度（在杂质超弦理论），或具有接近普朗克能源它们将在宇宙膨胀之前产生，因此随着宇宙的膨胀而被稀释，无法观测。

自早期以来发生了很大变化，主要是由于第二次超弦革命弦理论除了定义微扰理论的基本弦外，还包含其他一维物体，如d弦，以及更高维物体，如d膜、ns膜和m膜，部分包裹在紧凑的内部时空维度上，同时在一个非紧凑的空间维度上扩展。的可能性大型紧凑尺寸大的翘曲因子允许弦的张力远低于普朗克音阶。此外，已经发现的各种对偶性指向的结论是，实际上所有这些明显不同类型的字符串都是同一个对象，因为它出现在参数空间的不同区域。从本世纪初开始，这些新的发展在很大程度上重新唤起了人们对宇宙弦的兴趣。

2002年，亨利·泰合作者预言了宇宙超弦的产生膜膨胀,[13]早期宇宙的弦理论构建导致了宇宙膨胀和宇宙膨胀。后来由弦理论家实现Joseph Polchinski膨胀的宇宙可以拉伸一根“基本”弦（超弦理论认为的那种弦），直到它达到星系间的大小。字符串变化，使得旧的计算再次有用。正如理论家汤姆·基布尔所说：“弦理论宇宙学家发现了潜伏在灌木丛中的宇宙弦。”探测宇宙弦的旧建议现在可以用来研究超弦理论。

超弦、d弦或上面提到的其他拉伸到星系间尺度的细长物体都会辐射引力波，这可以通过LIGO等实验，特别是基于空间的引力波实验LISA来探测。它们也可能在宇宙微波背景中造成轻微的不规则，太细微了，还没有被探测到，但可能在未来的可观测范围内。

请注意，这些建议大多依赖于适当的宇宙学基本原理（弦、膜等），至今还没有令人信服的实验验证。然而，宇宙弦提供了一个了解弦理论的窗口。如果宇宙弦被观测到--这对于广泛的宇宙弦模型来说是一种真正的可能性--这将为时空结构背后的弦理论模型提供第一个实验证据。

宇宙弦网络
有许多尝试来探测宇宙弦网络的足迹。[