Cuerda cósmica

Cuerdas cósmicas son defectos topológicos unidimensionales hipotéticos que pueden haberse formado durante una transición de fase de ruptura de simetría en el universo primitivo cuando la topología de la variedad de vacío asociada a esta ruptura de simetría no estaba simplemente conectada. Su existencia fue contemplada por primera vez por el físico teórico Tom Kibble en la década de 1970.

La formación de cuerdas cósmicas es algo análoga a las imperfecciones que se forman entre los granos de cristal en los líquidos que se solidifican, o las grietas que se forman cuando el agua se congela y se convierte en hielo. Es probable que las transiciones de fase que conducen a la producción de cuerdas cósmicas hayan ocurrido durante los primeros momentos de la evolución del universo, justo después de la inflación cosmológica, y son una predicción bastante genérica tanto en la teoría cuántica de campos como en los modelos de teoría de cuerdas del universo primitivo.

Teorías que contienen cuerdas cósmicas

En la teoría de cuerdas, el papel de las cuerdas cósmicas puede ser desempeñado por las mismas cuerdas fundamentales (o cuerdas F) que definen la teoría perturbativamente, por cuerdas D que están relacionadas con las cuerdas F por débil-fuerte más o menos llamadas dualidad S, o branas D, NS o M de dimensiones superiores que están parcialmente envueltas en ciclos compactos asociados a dimensiones de espacio-tiempo adicionales, de modo que solo queda una dimensión no compacta.

El ejemplo prototípico de una teoría cuántica de campos con cuerdas cósmicas es el modelo Abelian Higgs. Se espera que la teoría cuántica de campos y las cuerdas cósmicas de la teoría de cuerdas tengan muchas propiedades en común, pero se necesita más investigación para determinar las características distintivas precisas. Las cuerdas F, por ejemplo, son completamente mecánicas cuánticas y no tienen una definición clásica, mientras que las cuerdas cósmicas de la teoría de campos se tratan casi exclusivamente de forma clásica.

Dimensiones

Las cuerdas cósmicas, si existen, serían extremadamente delgadas con diámetros del mismo orden de magnitud que el de un protón, es decir, ~ 1 fm, o más pequeños. Dado que esta escala es mucho más pequeña que cualquier escala cosmológica, estas cadenas a menudo se estudian en la aproximación de ancho cero o Nambu-Goto. Bajo este supuesto, las cuerdas se comportan como objetos unidimensionales y obedecen a la acción Nambu-Goto, que es clásicamente equivalente a la acción Polyakov que define el sector bosónico de la teoría de supercuerdas.

En la teoría de campos, el ancho de la cuerda se establece mediante la escala de la transición de fase de ruptura de simetría. En la teoría de cuerdas, el ancho de la cuerda se establece (en los casos más simples) por la escala fundamental de la cuerda, los factores de deformación (asociados a la curvatura del espacio-tiempo de una variedad de espacio-tiempo interna de seis dimensiones) y/o el tamaño de las dimensiones compactas internas. (En la teoría de cuerdas, el universo tiene 10 u 11 dimensiones, según la fuerza de las interacciones y la curvatura del espacio-tiempo).

Gravitación

Una cuerda es una desviación geométrica de la geometría euclidiana en el espacio-tiempo caracterizada por un déficit angular: un círculo alrededor del exterior de una cuerda comprendería un ángulo total de menos de 360°. De la teoría general de la relatividad tal defecto geométrico debe estar en tensión, y se manifestaría por masa. Aunque se cree que las cuerdas cósmicas son extremadamente delgadas, tendrían una densidad inmensa y, por lo tanto, representarían importantes fuentes de ondas gravitacionales. Una cuerda cósmica de aproximadamente un kilómetro de longitud puede ser más masiva que la Tierra.

Sin embargo, la relatividad general predice que el potencial gravitacional de una cuerda recta se desvanece: no hay fuerza gravitacional sobre la materia estática circundante. El único efecto gravitatorio de una cuerda cósmica recta es una desviación relativa de la materia (o la luz) que pasa por la cuerda en lados opuestos (un efecto puramente topológico). Una cuerda cósmica cerrada gravita de una forma más convencional.

Durante la expansión del universo, las cuerdas cósmicas formarían una red de bucles, y en el pasado se pensó que su gravedad podría haber sido responsable de la acumulación original de materia en supercúmulos galácticos. Ahora se calcula que su contribución a la formación de estructuras en el universo es inferior al 10%.

Cuerda cósmica de masa negativa

El modelo estándar de una cuerda cósmica es una estructura geométrica con un ángulo de déficit, que por lo tanto está en tensión y por lo tanto tiene masa positiva. En 1995, Visser et al. propuso que las cuerdas cósmicas teóricamente también podrían existir con excesos de ángulo y, por lo tanto, tensión negativa y, por lo tanto, masa negativa. La estabilidad de tales cadenas de materia exótica es problemática; sin embargo, sugirieron que si una cuerda de masa negativa se envolviera alrededor de un agujero de gusano en el universo primitivo, dicho agujero de gusano podría estabilizarse lo suficiente como para existir en la actualidad.

Cuerda cósmica supercrítica

La geometría exterior de una cuerda cósmica (recta) se puede visualizar en un diagrama de incrustación de la siguiente manera: Centrándonos en la superficie bidimensional perpendicular a la cuerda, su geometría es la de un cono que se obtiene cortando una cuña de ángulo δ y pegando los bordes. El déficit angular δ está relacionado linealmente con la tensión de la cuerda (= masa por unidad de longitud), es decir, cuanto mayor es la tensión, más inclinado es el cono. Por lo tanto, δ llega a 2π para cierto valor crítico de la tensión, y el cono degenera a cilindro. (Al visualizar esta configuración, uno tiene que pensar en una cadena con un grosor finito). valores, δ excede 2π y la geometría exterior (bidimensional) se cierra (se vuelve compacta), terminando en una singularidad cónica.

Sin embargo, esta geometría estática es inestable en el caso supercrítico (a diferencia de las tensiones subcríticas): pequeñas perturbaciones conducen a un espacio-tiempo dinámico que se expande en dirección axial a una velocidad constante. El exterior 2D sigue siendo compacto, pero se puede evitar la singularidad cónica, y la imagen incrustada es la de un cigarro en crecimiento. Para tensiones aún mayores (que superan el valor crítico por un factor de aproximadamente 1,6), la sarta ya no se puede estabilizar en dirección radial.

Se espera que las cuerdas cósmicas realistas tengan tensiones alrededor de 6 órdenes de magnitud por debajo del valor crítico y, por lo tanto, siempre son subcríticas. Sin embargo, las soluciones de cuerdas cósmicas infladas podrían ser relevantes en el contexto de la cosmología de brana, donde la cuerda se promueve a una brana de 3 (correspondiente a nuestro universo) en una masa de seis dimensiones.

Evidencia observacional

Alguna vez se pensó que la influencia gravitatoria de las cuerdas cósmicas podría contribuir a la acumulación a gran escala de materia en el universo, pero todo lo que se sabe hoy en día a través de estudios de galaxias y mediciones de precisión del fondo cósmico de microondas (CMB) encaja con una evolución a partir de fluctuaciones gaussianas aleatorias. Estas observaciones precisas, por lo tanto, tienden a descartar un papel significativo para las cuerdas cósmicas y actualmente se sabe que la contribución de las cuerdas cósmicas al CMB no puede ser superior al 10%.

Las violentas oscilaciones de las cuerdas cósmicas conducen genéricamente a la formación de cúspides y torceduras. Estos, a su vez, hacen que partes de la cuerda se pellizquen en bucles aislados. Estos bucles tienen una vida útil finita y se descomponen (principalmente) a través de la radiación gravitacional. Esta radiación que conduce a la señal más fuerte de las cuerdas cósmicas puede, a su vez, ser detectable en los observatorios de ondas gravitacionales. Una pregunta abierta importante es en qué medida los bucles pellizcados reaccionan de forma inversa o cambian el estado inicial de la cuerda cósmica emisora; tales efectos de reacción inversa casi siempre se ignoran en los cálculos y se sabe que son importantes, incluso para estimaciones de orden de magnitud.

La lente gravitacional de una galaxia por una sección recta de una cuerda cósmica produciría dos imágenes idénticas y sin distorsiones de la galaxia. En 2003, un grupo dirigido por Mikhail Sazhin informó del descubrimiento accidental de dos galaxias aparentemente idénticas muy juntas en el cielo, lo que llevó a especular que se había encontrado una cuerda cósmica. Sin embargo, las observaciones del Telescopio Espacial Hubble en enero de 2005 mostraron que eran un par de galaxias similares, no dos imágenes de la misma galaxia. Una cuerda cósmica produciría una imagen duplicada similar de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas, que se pensó podría haber sido detectable por la misión Planck Surveyor. Sin embargo, un análisis de 2013 de los datos de la misión Planck no logró encontrar ninguna evidencia de cuerdas cósmicas.

Una pieza de evidencia que respalda la teoría de cuerdas cósmicas es un fenómeno observado en las observaciones del "doble cuásar" llamado Q0957+561A,B. Originalmente descubierto por Dennis Walsh, Bob Carswell y Ray Weymann en 1979, la imagen doble de este cuásar es causada por una galaxia ubicada entre él y la Tierra. El efecto de lente gravitacional de esta galaxia intermedia desvía la luz del cuásar para que siga dos caminos de diferentes longitudes hacia la Tierra. El resultado es que vemos dos imágenes del mismo quásar, una que llega poco tiempo después de la otra (alrededor de 417,1 días después). Sin embargo, un equipo de astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian dirigido por Rudolph Schild estudió el quásar y descubrió que durante el período comprendido entre septiembre de 1994 y julio de 1995, las dos imágenes parecían no tener retraso de tiempo; los cambios en el brillo de las dos imágenes ocurrieron simultáneamente en cuatro ocasiones distintas. Schild y su equipo creen que la única explicación para esta observación es que una cuerda cósmica pasó entre la Tierra y el cuásar durante ese período de tiempo viajando a muy alta velocidad y oscilando con un período de unos 100 días.

Actualmente, los límites más sensibles en los parámetros de cuerdas cósmicas provienen de la no detección de ondas gravitacionales por parte de los datos de la matriz de sincronización de púlsares. El Observatorio terrestre de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) y, en especial, el detector de ondas gravitacionales con base en el espacio Antena espacial con interferómetro láser (LISA) buscarán ondas gravitacionales y es probable que sean lo suficientemente sensibles como para detectar señales de cuerdas cósmicas, siempre que las señales cósmicas pertinentes las tensiones de las cuerdas no son demasiado pequeñas.

Teoría de cuerdas y cuerdas cósmicas

Durante los primeros días de la teoría de cuerdas, tanto los teóricos de cuerdas como los teóricos de cuerdas cósmicas creían que no había una conexión directa entre las supercuerdas y las cuerdas cósmicas (los nombres se eligieron de forma independiente por analogía con las cuerdas ordinarias). La posibilidad de que se produzcan cuerdas cósmicas en el universo primitivo fue prevista por primera vez por el teórico del campo cuántico Tom Kibble en 1976, y esto provocó la primera oleada de interés en el campo.

En 1985, durante la primera revolución de las supercuerdas, Edward Witten consideró la posibilidad de que las supercuerdas fundamentales se hubieran producido en el universo primitivo y se hubieran estirado a escalas macroscópicas, en cuyo caso (siguiendo la nomenclatura de Tom Kibble) se denominarían como supercuerdas cósmicas. Llegó a la conclusión de que si se hubieran producido, se habrían desintegrado en cuerdas más pequeñas antes de alcanzar escalas macroscópicas (en el caso de la teoría de supercuerdas de Tipo I), siempre aparecerían como límites de paredes de dominio cuya tensión obligaría a las cuerdas a colapsar en lugar de colapsar. crecer a escalas cósmicas (en el contexto de la teoría heterótica de supercuerdas), o tener una escala de energía característica cercana a la energía de Planck, se producirían antes de la inflación cosmológica y, por lo tanto, se diluirían con la expansión del universo y no serían observables.

Mucho ha cambiado desde estos primeros días, principalmente debido a la segunda revolución de las supercuerdas. Ahora se sabe que la teoría de cuerdas contiene, además de las cuerdas fundamentales que definen la teoría perturbativamente, otros objetos unidimensionales, como las cuerdas D, y objetos de dimensiones superiores, como las branas D, las branas NS y las M-. branas parcialmente envueltas en dimensiones de espacio-tiempo internas compactas, mientras que se extienden espacialmente en una dimensión no compacta. La posibilidad de grandes dimensiones compactas y grandes factores de alabeo permite cuerdas con tensiones muy inferiores a la escala de Planck.

Además, varias dualidades que se han descubierto apuntan a la conclusión de que, en realidad, todos estos tipos de cadenas aparentemente diferentes son simplemente el mismo objeto que aparece en diferentes regiones del espacio de parámetros. Estos nuevos desarrollos han reavivado en gran medida el interés por las cuerdas cósmicas, a partir de principios de la década de 2000.

En 2002, Henry Tye y sus colaboradores predijeron la producción de supercuerdas cósmicas durante las últimas etapas de la inflación de brana, una construcción de la teoría de cuerdas del universo primitivo que da lugar a un universo en expansión y a la inflación cosmológica. Posteriormente, el teórico de cuerdas Joseph Polchinski se dio cuenta de que el Universo en expansión podría haber estirado un "fundamental" cuerda (del tipo que considera la teoría de supercuerdas) hasta que tuvo un tamaño intergaláctico. Una cuerda tan estirada exhibiría muchas de las propiedades del viejo 'cósmico'. variedad de cadenas, haciendo que los cálculos anteriores vuelvan a ser útiles. Como comenta el teórico Tom Kibble, "los cosmólogos de la teoría de cuerdas han descubierto cuerdas cósmicas que acechan por todas partes en la maleza". Las propuestas más antiguas para detectar cuerdas cósmicas ahora podrían usarse para investigar la teoría de supercuerdas.

Las supercuerdas, las cuerdas D u otros objetos fibrosos mencionados anteriormente estirados a escalas intergalácticas irradiarían ondas gravitacionales, que podrían detectarse mediante experimentos como LIGO y, en especial, el experimento espacial de ondas gravitacionales LISA. También podrían causar ligeras irregularidades en el fondo cósmico de microondas, demasiado sutiles para haber sido detectadas todavía, pero posiblemente dentro del ámbito de la observabilidad futura.

Tenga en cuenta que la mayoría de estas propuestas dependen, sin embargo, de los fundamentos cosmológicos apropiados (cuerdas, branas, etc.), y hasta la fecha no se ha confirmado ninguna verificación experimental convincente de estos. No obstante, las cuerdas cósmicas proporcionan una ventana a la teoría de cuerdas. Si se observan cuerdas cósmicas, lo cual es una posibilidad real para una amplia gama de modelos cosmológicos de cuerdas, esto proporcionaría la primera evidencia experimental de un modelo de teoría de cuerdas que subyace en la estructura del espacio-tiempo.

Red de cuerdas cósmicas

Hay muchos intentos de detectar la huella de una red de cuerdas cósmicas.