概说宇宙弦
宇宙弦这个名词其实本人是早有耳闻，所谓宇宙中的拓扑缺陷是也。在自己的研究领域中，听得更多的是“宇宙弦尖端放电可能导致伽玛暴”。虽说这种理论不过是花样繁多的伽玛暴非主流模型之一，不过一来它不比早已退出历史舞台的诸多不靠谱理论，至今仍被人用于解释高红移暴；二来近年在宇宙弦模型框架下进行过相关探讨的一位研究者跟自己所在的小组合作密切，所以它的出现率还不低。不过抛开这些东西不论，宇宙弦具体是个什么东西？如果它确实存在，对天文观测又存在什么样的影响？最近读到了一篇相关文章，在此做个简要介绍。
这篇文章实际上是为Scholarpedia撰写的词条。与流行的诸多百科类网站一样，这家网站也采用了维基形式。不过它的特色在于“词条经过同行评议”，而且撰写者多为相关领域的专家（如本文的第一作者Tanmay Vachaspati至少从上世纪80年代起就开始从事相关研究了），因此内容更为专业，权威性和可信性也大大提升。由于本人在宇宙弦方面并非行家，在正文开始之前也还是要给各位看官提个醒，文内容仅供参考，如有纰漏还请指正。
按照场论，某些条件下能量可以沿极窄的线条分布，由此得到“弦”解，比如物理学中的超弦，也有凝聚态物理学中更为直观的实例。弦解的出现需要相关场具有特殊的对称性和对称破缺性质，让场的最低能态并不唯一。如果这些最低能态所构成的流形具有不能连续收缩为单独一个点的闭合路径，也就是拓扑意义上的“洞穴”，那么弦解就可以出现了，它是被标量场所环绕的线状结构，对应能量集中的位置。从数学上看，根据场的拓扑结构以及同其他场的耦合状况的不同，弦解又可以分为全局直弦（不计规范场）、Nielsen-Olesen弦（存在与标量场相耦合的规范场，可以具有量子化的磁通量），还有半全局弦等不同的种类。更进一步，如果存在与标量场耦合的费米子，则狄拉克方程会存在一种集中于弦上且能量为零的特殊解，允许弦内存在电流（如果这些费米子也带电的话）。带电的弦根据其特性，一般被称为超导弦，具有与超导体相当的特性。
两条Nambu-Goto弦相互作用期间的等能量密度面演化过程，可见纽结的形成。如果是一条弦自我发生了互换过程，则会形成封闭的环形弦。根据上图所示，是否可以将“多条弦互相交换”理解为宇宙弦的重联？（图片来源：Verbiest et al. 2011）
大尺度宇宙弦的结构通常都是近似为单位长度质量正比于质量2次方的一维线条的。其实场论并不认为弦解具有零宽度，但是由于一般情况下弦的宽度约合其质量的倒数，宇宙学背景下探讨的问题尺度又极大，宇宙弦的宽度大可忽略不计，可以按照Nambu-Goto理论来求解其动力学特性，由此就具备了尖端（cusp）与纽结（kink），分别对应弦上切向矢量不连续变化以及两弦互换的区域，而纽结区沿弦移动的速度以及尖端摆动的瞬时速度皆与光速相当。对于观测而言，宇宙弦最重要的也就是尖端与纽结区，它们会产生一系列的特征信号。同样重要的是Nambu-Goto弦特有的度规形态，在弦的截面上呈锥状形态，这一点也是为理论预言中的众多可观测现象提供了基础。
宇宙本身的真空解结构是允许宇宙弦存在的（虽说宇宙弦实际存在与否是另一个问题），大爆炸后不久的自发对称性破缺时期就可以形成宇宙弦。它的线密度很高，可以超过每厘米1022克；形态也会很复杂，可能是无限长的细线，也可能呈各式弧形乃至封闭的环形，甚至还会有大量的宇宙弦彼此联结成网或者三条以上宇宙弦组成结点的可能性。根据现有模拟，在形成之初，大约有八成的宇宙弦是无限长的线形，其余呈环形。不过弧形或环形的宇宙弦并不稳定，前者总会驰豫成直线形，而后者最终会以辐射形态瓦解掉，只是前一过程所需要的时标要较后者长得多。不过总的来说，宇宙弦中的能量保持时标会长于弦本身的动力学时标。
宇宙弦网络随后会在彼此相互作用、弦内张力以及周边环境的影响下逐渐驰豫。随着宇宙的膨胀，弧形弦的特征半径以及两弦间距都会一同增长。解析分析表明，整个网络的演化似乎存在自相似吸引子结构，网络的尺度随时间的演化可以用长度与其他特性标度来描述，如某时刻某一尺度下环形宇宙弦的数量与简单弦的尺度与宇宙演化时间之间存在较好的简单幂律关系。但是具体的演化过程是非常复杂繁琐的，只能借助计算机模拟来再现。值得一提的是，模拟工作都在不同程度上证实了自相似标度关系的存在，只是这一关系对小尺度圈环的适用性存疑。
宇宙中物质主导时期的Nambu-Goto宇宙弦网络分布，图中白色表示无限长的线状宇宙弦，红色表示密度符合标度关系的闭合宇宙弦圈环，其他颜色表示尚未达到标度关系的圈环，各颜色对应的年龄也不尽相同。（图片来源：Vachaspati et al. 2015）
理论上宇宙弦自我表露的方式有很多。本文最开头提到的伽玛暴就是本人最熟悉的一种，不过这一理论一般只被用于高红移暴。毕竟前些年高红移伽玛暴频发，红移记录一再被刷新，这样高的爆发率似乎与恒星演化模型的预言不太一致，用具有超导性质的宇宙弦尖端放电可以部分化解这个问题。放电过程的能源来自宇宙弦在磁场中运动引发的感应电流，它引发的辐射可以用常见的偶极辐射来近似，持续时标与释放能量都与典型伽玛暴相当，探测率也还说得过去。但说实话，这个模型带来的问题比能够解决的更多，如难以产生余辉，电磁能的转化过程不明，甚至还有人质疑高红移区强磁场的存在。
此外超导宇宙弦还会产生以射电波段为主的瞬时增亮，观测上表现为射电暴。这一现象的发生率很大程度上由纽结的存在来决定，自由参量很多，对于常用取值组合来说发生率高得惊人，有人认为快速射电暴也是由宇宙弦贡献的（话说快速射电暴在初期模型不靠谱这一点上跟伽玛暴还真是很像，宇宙弦、原初黑洞蒸发，总之是怎么离奇怎么来啊）。而宇宙弦的电磁辐射会导致宇宙微波背景辐射出现扭曲，从而泄露自己的存在。另外光子和宇宙弦通过引力的耦合也会让弦体本身发出辐射，只是这种辐射被引力耦合大大抑制了，能否被观测到还是个未知数。
在存在其他作用力的情况下，宇宙弦尖端与纽结还有可能产生包括高能质子在内的宇宙线粒子，而且对于大质量弦来说，弦的张力（也就是宇宙弦能量动量张量的纵向分量，与弦的质量正相关）越小，宇宙线流量越强。有研究者认为，特高能宇宙线粒子也是宇宙弦相互作用导致的。
宇宙弦的引力效应更为多样。由于宇宙弦自大爆炸之初即已存在，且会对宇宙度规带来一些扰动，因此它可能在宇宙中光子和重子尚未脱耦的时代即影响物质的分布，最终在宇宙微波背景辐射中留下印迹。而在复合期过后，与视线方向存在交角的宇宙弦也会在背景辐射中留下线状不连续性，此即所谓Kaiser-Stebbins-Gott效应。除此之外，宇宙弦的存在同样还会影响微波背景的B模偏振，这一点也是当前一些小组重点关注的目标。
宇宙弦对宇宙微波背景辐射的影响。a：单独一根宇宙弦对均匀背景产生的扰动。b：宇宙弦网络经由Kaiser-Stebbins-Gott效应在背景辐射中产生的各向异性。c：全面考虑复合期物理过程后模拟出的宇宙弦网络的影响。（图片来源：Vachaspati et al. 2015）
类似地，宇宙弦网络的存在也会扰动21厘米中性氢的分布。未来如果能够设法探测到源自复合期之后的中性氢背景，有望对宇宙弦的特性提出进一步的限制。而闭合圈环的振荡、开放弦尖端与纽结的爆发都能够诱发随机引力波背景。如果后方存在星系或星系团，前景宇宙弦还可以充当引力透镜，让背景天体的图像出现特征性的扭曲放大。
当前宇宙弦存在的确切证据尚未发现。虽然高红移伽玛暴发生率、高能宇宙线粒子的成分等事实都可以使用宇宙弦来较好地解释，但是本着奥卡姆剃刀的原则，不能轻易引入奇异的假设，一般人还是会选择更为“平凡”的模型来理解观测。通过引力效应也好，电磁辐射也罢，当前的分析还都只是在限制宇宙弦的关键参数，这其中以微波背景辐射的限制最好。虽然个人看来宇宙弦的搜索难度与不确定性都很大，但毕竟它与宇宙的本性直接相关，所以今后也还是会吸引不少学者的注意力的。
