Corda cósmica - Cosmic string

Não deve ser confundido com cordas na teoria das cordas .

Cordas cósmicas são defeitos topológicos unidimensionais hipotéticos que podem ter se formado durante uma transição de fase de quebra de simetria no universo primitivo, quando a topologia do coletor de vácuo associada a essa quebra de simetria não estava simplesmente conectada . Espera-se que pelo menos uma string por volume de Hubble seja formada. Sua existência foi contemplada pela primeira vez pelo físico teórico Tom Kibble na década de 1970.

A formação de cordas cósmicas é um tanto análoga às imperfeições que se formam entre os grãos de cristal em líquidos que se solidificam, ou às rachaduras que se formam quando a água congela em gelo. As transições de fase que levam à produção de cordas cósmicas provavelmente ocorreram durante os primeiros momentos da evolução do universo, logo após a inflação cosmológica , e são uma previsão bastante genérica tanto na teoria quântica de campos quanto nos modelos da teoria das cordas do universo inicial .

Teorias contendo cordas cósmicas

Na teoria das cordas, o papel das cordas cósmicas pode ser desempenhado pelas próprias cordas fundamentais (ou cordas F) que definem a teoria perturbativamente , por cordas D que estão relacionadas às cordas F por fraco-forte ou os chamados S- dualidade , ou D-, NS- ou M-branas de dimensão superior que são parcialmente envolvidas em ciclos compactos associados a dimensões de espaço-tempo extras, de modo que apenas uma dimensão não compacta permanece.

O exemplo prototípico de uma teoria quântica de campos com cordas cósmicas é o modelo Abeliano de Higgs . Espera-se que as cordas cósmicas da teoria quântica de campos e da teoria das cordas tenham muitas propriedades em comum, mas mais pesquisas são necessárias para determinar as características distintivas precisas. As cordas F, por exemplo, são totalmente quânticas e não têm uma definição clássica, enquanto as cordas cósmicas da teoria de campo são tratadas quase exclusivamente de forma clássica.

Dimensões

Cordas cósmicas, se existissem, seriam extremamente finas, com diâmetros da mesma ordem de magnitude de um próton, ou seja, ~ 1 fm ou menores. Dado que esta escala é muito menor do que qualquer escala cosmológica, essas cordas são frequentemente estudadas na largura zero, ou aproximação de Nambu-Goto. Sob esse pressuposto, as cordas se comportam como objetos unidimensionais e obedecem à ação Nambu – Goto , que é classicamente equivalente à ação de Polyakov que define o setor bosônico da teoria das supercordas .

Na teoria de campo, a largura da corda é definida pela escala da transição de fase de quebra de simetria. Na teoria das cordas, a largura da corda é definida (nos casos mais simples) pela escala fundamental da corda, fatores de urdidura (associados à curvatura do espaço-tempo de uma variedade de espaço-tempo de seis dimensões internas) e / ou o tamanho das dimensões compactas internas . (Na teoria das cordas, o universo tem 10 ou 11 dimensões, dependendo da força das interações e da curvatura do espaço-tempo.)

Gravitação

Uma corda é um desvio geométrico da geometria euclidiana no espaço-tempo caracterizado por um déficit angular: um círculo ao redor da parte externa de uma corda compreenderia um ângulo total inferior a 360 °. De acordo com a teoria da relatividade geral, esse defeito geométrico deve estar em tensão e se manifestar pela massa. Mesmo que as cordas cósmicas sejam consideradas extremamente finas, elas teriam uma densidade imensa e, portanto, representariam fontes de ondas gravitacionais significativas. Uma corda cósmica com cerca de um quilômetro de comprimento pode ser mais massiva do que a Terra.

No entanto, a relatividade geral prediz que o potencial gravitacional de uma corda reta desaparece: não há força gravitacional na matéria estática circundante. O único efeito gravitacional de uma corda cósmica reta é uma deflexão relativa da matéria (ou luz) passando a corda em lados opostos (um efeito puramente topológico). Uma corda cósmica fechada gravita de uma forma mais convencional.

Durante a expansão do universo, as cordas cósmicas formariam uma rede de voltas e, no passado, pensava-se que sua gravidade poderia ter sido responsável pela aglomeração original de matéria em superaglomerados galácticos . Calcula-se agora que sua contribuição para a formação da estrutura no universo é inferior a 10%.

Corda cósmica de massa negativa

O modelo padrão de uma corda cósmica é uma estrutura geométrica com um déficit angular, que, portanto, está em tensão e, portanto, tem massa positiva. Em 1995, Visser et al. propôs que as cordas cósmicas teoricamente também poderiam existir com excessos de ângulo e, portanto, tensão negativa e, portanto, massa negativa . A estabilidade de tais cordas de matéria exótica é problemática; no entanto, eles sugeriram que se uma corda de massa negativa fosse enrolada em torno de um buraco de minhoca no início do universo, tal buraco de minhoca poderia ser estabilizado o suficiente para existir nos dias atuais.

Cordão cósmico supercrítico

A geometria externa de uma corda cósmica (reta) pode ser visualizada em um diagrama de incorporação da seguinte forma: Focando na superfície bidimensional perpendicular à corda, sua geometria é a de um cone que é obtido cortando uma cunha de ângulo δ e colar as bordas. O déficit angular δ está linearmente relacionado à tensão da corda (= massa por unidade de comprimento), ou seja, quanto maior a tensão, mais inclinado é o cone. Portanto, δ atinge 2π para um certo valor crítico da tensão, e o cone degenera em um cilindro. (Ao visualizar esta configuração, deve-se pensar em uma corda com espessura finita.) Para valores "supercríticos" ainda maiores, δ excede 2π e a geometria externa (bidimensional) se fecha (torna-se compacta), terminando em uma singularidade cônica.

No entanto, esta geometria estática é instável no caso supercrítico (ao contrário das tensões subcríticas): Pequenas perturbações levam a um espaço-tempo dinâmico que se expande na direção axial a uma taxa constante. O exterior 2D ainda é compacto, mas a singularidade cônica pode ser evitada, e a imagem embutida é a de um charuto crescendo. Para tensões ainda maiores (excedendo o valor crítico em aproximadamente um fator de 1,6), a corda não pode mais ser estabilizada na direção radial.

Espera-se que as cordas cósmicas realistas tenham tensões em torno de 6 ordens de magnitude abaixo do valor crítico e, portanto, são sempre subcríticas. No entanto, as soluções de cordas cósmicas infladas podem ser relevantes no contexto da cosmologia da brana , onde a corda é promovida a uma 3- brana (correspondendo ao nosso universo) em um volume de seis dimensões.

Evidência observacional

Antigamente, pensava-se que a influência gravitacional das cordas cósmicas poderia contribuir para a aglomeração em grande escala de matéria no universo, mas tudo o que se sabe hoje por meio de pesquisas de galáxias e medições precisas da radiação cósmica de fundo (CMB) se encaixa em uma evolução de flutuações gaussianas aleatórias . Essas observações precisas, portanto, tendem a descartar um papel significativo para as cordas cósmicas e, atualmente, sabe-se que a contribuição das cordas cósmicas para a CMB não pode ser superior a 10%.

As oscilações violentas das cordas cósmicas levam genericamente à formação de cúspides e torções . Estes, por sua vez, fazem com que partes da corda se soltem em laçadas isoladas. Esses loops têm uma vida útil finita e decaem (principalmente) por meio de radiação gravitacional . Essa radiação que leva ao sinal mais forte das cordas cósmicas pode, por sua vez, ser detectada em observatórios de ondas gravitacionais . Uma importante questão em aberto é até que ponto os loops pinçados retrocedem ou mudam o estado inicial da corda cósmica emissora - tais efeitos de retrocesso são quase sempre negligenciados nos cálculos e são conhecidos por serem importantes, mesmo para estimativas de ordem de magnitude.

A lente gravitacional de uma galáxia por uma seção reta de uma corda cósmica produziria duas imagens idênticas e não distorcidas da galáxia. Em 2003, um grupo liderado por Mikhail Sazhin relatou a descoberta acidental de duas galáxias aparentemente idênticas muito próximas no céu, levando à especulação de que uma corda cósmica havia sido encontrada. No entanto, observações do Telescópio Espacial Hubble em janeiro de 2005 mostraram que eles eram um par de galáxias semelhantes, não duas imagens da mesma galáxia. Uma corda cósmica produziria uma imagem duplicada semelhante de flutuações no fundo de micro-ondas cósmico , que se pensou que poderia ter sido detectável pela missão Planck Surveyor . No entanto, uma análise de 2013 de dados da missão Planck não conseguiu encontrar qualquer evidência de cordas cósmicas.

Um pedaço de evidência apoiando a teoria das cordas cósmica é um fenômeno observado em observações do "double quasar " chamada Q0957 + 561A, B . Originalmente descoberto por Dennis Walsh , Bob Carswell e Ray Weymann em 1979, a imagem dupla deste quasar é causada por uma galáxia posicionada entre ele e a Terra. O efeito de lente gravitacional dessa galáxia intermediária dobra a luz do quasar de modo que ele siga dois caminhos de comprimentos diferentes até a Terra. O resultado é que vemos duas imagens do mesmo quasar, uma chegando pouco tempo depois da outra (cerca de 417,1 dias depois). No entanto, uma equipe de astrônomos do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics liderada por Rudolph Schild estudou o quasar e descobriu que durante o período entre setembro de 1994 e julho de 1995 as duas imagens pareciam não ter atraso; mudanças no brilho das duas imagens ocorreram simultaneamente em quatro ocasiões distintas. Schild e sua equipe acreditam que a única explicação para essa observação é que uma corda cósmica passou entre a Terra e o quasar durante aquele período viajando em alta velocidade e oscilando por um período de cerca de 100 dias.

Atualmente, os limites mais sensíveis nos parâmetros das cordas cósmicas vêm da não detecção de ondas gravitacionais pelos dados da matriz de tempo do Pulsar . O Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser terrestre (LIGO) e, especialmente, o detector de ondas gravitacionais com base no espaço, Antena Espacial de Interferômetro de Laser (LISA) procurarão ondas gravitacionais e provavelmente serão sensíveis o suficiente para detectar sinais de cordas cósmicas, desde que os dados cósmicos relevantes as tensões das cordas não são muito pequenas.

Teoria das cordas e cordas cósmicas

Durante os primeiros dias da teoria das cordas, tanto os teóricos das cordas quanto os teóricos das cordas cósmicas acreditavam que não havia conexão direta entre as supercordas e as cordas cósmicas (os nomes eram escolhidos independentemente por analogia com as cordas comuns ). A possibilidade de cordas cósmicas serem produzidas no início do universo foi imaginada pela primeira vez pelo teórico de campo quântico Tom Kibble em 1976, e isso gerou a primeira onda de interesse no campo. Em 1985, durante a primeira revolução das supercordas , Edward Witten contemplou a possibilidade de supercordas fundamentais terem sido produzidas no universo inicial e esticadas em escalas macroscópicas, caso em que (seguindo a nomenclatura de Tom Kibble) elas seriam então chamadas de cósmicas supercordas. Ele concluiu que, se tivessem sido produzidos, teriam se desintegrado em cordas menores antes mesmo de atingir as escalas macroscópicas (no caso da teoria das supercordas Tipo I ), sempre apareceriam como limites de paredes de domínio cuja tensão forçaria as cordas a colapsar em vez de crescem em escalas cósmicas (no contexto da teoria das supercordas heteróticas ), ou tendo uma escala de energia característica próxima à energia de Planck, eles seriam produzidos antes da inflação cosmológica e, portanto, seriam diluídos com a expansão do universo e não seriam observáveis.

Muita coisa mudou desde esses primeiros dias, principalmente devido à segunda revolução das supercordas . Sabe-se agora que a teoria das cordas, além das cordas fundamentais que definem a teoria perturbativamente, também contém outros objetos unidimensionais, como cordas D, e objetos de dimensão superior, como D-branas, NS-branas e M-branas. parcialmente envolto em dimensões de espaço-tempo internas compactas, embora seja espacialmente estendido em uma dimensão não compacta. A possibilidade de grandes dimensões compactas e grandes fatores de urdidura permite cordas com tensão muito inferior à escala de Planck. Além disso, várias dualidades que foram descobertas apontam para a conclusão de que, na verdade, todos esses tipos aparentemente diferentes de cordas são exatamente o mesmo objeto que aparece em diferentes regiões do espaço de parâmetros. Esses novos desenvolvimentos reavivaram amplamente o interesse pelas cordas cósmicas, começando no início dos anos 2000.

Em 2002, Henry Tye e colaboradores previram a produção de supercordas cósmicas durante os últimos estágios da inflação da membrana , uma construção da teoria das cordas do universo inicial que dá origem a um universo em expansão e inflação cosmológica. Subseqüentemente, o teórico das cordas Joseph Polchinski percebeu que o Universo em expansão poderia ter esticado uma corda "fundamental" (o tipo que a teoria das supercordas considera) até que ela tivesse um tamanho intergaláctico. Essa corda esticada exibiria muitas das propriedades da antiga variedade de cordas "cósmicas", tornando os cálculos mais antigos úteis novamente. Como observa o teórico Tom Kibble , "os cosmologistas da teoria das cordas descobriram cordas cósmicas à espreita em toda a vegetação rasteira". Propostas mais antigas para detectar cordas cósmicas agora podem ser usadas para investigar a teoria das supercordas.

Supercordas, cordas D ou outros objetos fibrosos mencionados acima esticados em escalas intergalácticas irradiariam ondas gravitacionais, que poderiam ser detectadas usando experimentos como o LIGO e especialmente o experimento de ondas gravitacionais baseado no espaço LISA. Eles também podem causar pequenas irregularidades na radiação cósmica de fundo, muito sutis para terem sido detectados ainda, mas possivelmente dentro do reino de observabilidade futura.

Observe que a maioria dessas propostas depende, no entanto, dos fundamentos cosmológicos apropriados (cordas, branas, etc.), e nenhuma verificação experimental convincente desses foi confirmada até o momento. No entanto, as cordas cósmicas fornecem uma janela para a teoria das cordas. Se cordas cósmicas forem observadas, o que é uma possibilidade real para uma ampla gama de modelos cosmológicos de cordas, isso forneceria a primeira evidência experimental de um modelo da teoria das cordas subjacente à estrutura do espaço-tempo.

Rede de cordas cósmicas

Existem muitas tentativas de detectar a pegada de uma rede de cordas cósmicas.

Veja também

  • Defeito topológico 0-dimensional: monopolo magnético
  • Defeito topológico bidimensional: parede de domínio (por exemplo, de defeito topológico unidimensional: uma corda cósmica)
  • Laço de corda cósmica estabilizado por uma supercorrente fermiônica: vorton

Referências

links externos