Las 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 conexa . Su existencia fue contemplada por primera vez por el físico teórico Tom Kibble en la década de 1970. [1]
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. Las transiciones de fase que conducen a la producción de cuerdas cósmicas probablemente 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 .
El ejemplo prototípico de una teoría de campos con cuerdas cósmicas es el modelo abeliano de 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 mecanocuánticas y no tienen una definición clásica, mientras que las cuerdas cósmicas de la teoría de campos se tratan casi exclusivamente de manera clásica.
En la teoría de supercuerdas , el papel de las cuerdas cósmicas puede ser desempeñado por las propias cuerdas fundamentales (o cuerdas F) que definen la teoría de forma perturbativa , por cuerdas D que están relacionadas con las cuerdas F por dualidad débil-fuerte o la llamada dualidad S , o por branas D, NS o M de dimensiones superiores que están parcialmente envueltas en ciclos compactos asociados a dimensiones extra del espacio-tiempo de modo que solo queda una dimensión no compacta. [2]
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 menores. Dado que esta escala es mucho menor que cualquier escala cosmológica, estas cuerdas se estudian a menudo en la aproximación de ancho cero, o Nambu-Goto. Bajo este supuesto, las cuerdas se comportan como objetos unidimensionales y obedecen a la acción de Nambu-Goto , que es clásicamente equivalente a la acción de Polyakov que define el sector bosónico de la teoría de supercuerdas .
En teoría de campos, el ancho de la cuerda está determinado por la escala de la transición de fase de ruptura de simetría. En teoría de cuerdas, el ancho de la cuerda está determinado (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 interna de espacio-tiempo de seis dimensiones) y/o el tamaño de las dimensiones compactas internas . (En teoría de cuerdas, el universo es de 10 u 11 dimensiones, dependiendo de la fuerza de las interacciones y la curvatura del espacio-tiempo).
Una cuerda es una desviación geométrica de la geometría euclidiana en el espacio-tiempo que se caracteriza por un déficit angular: un círculo alrededor del exterior de una cuerda comprendería un ángulo total menor a 360°. [3] Según la teoría general de la relatividad, un defecto geométrico de este tipo debe estar en tensión y se manifestaría en forma de masa. Aunque se piensa 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 gravitatorio de una cuerda recta se desvanece: no hay fuerza gravitatoria sobre la materia estática circundante. El único efecto gravitatorio de una cuerda cósmica recta es una desviación relativa de la materia (o luz) que pasa por la cuerda en lados opuestos (un efecto puramente topológico). Una cuerda cósmica cerrada gravita de una manera más convencional. [ Aclaración necesaria ]
Durante la expansión del universo, las cuerdas cósmicas formaron una red de bucles y en el pasado se pensaba 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 la estructura en el universo es inferior al 10%.
El modelo estándar de una cuerda cósmica es una estructura geométrica con un déficit de ángulo, que por lo tanto está en tensión y por lo tanto tiene masa positiva. En 1995, Visser et al. propusieron que las cuerdas cósmicas también podrían existir teóricamente con excesos de ángulo y, por lo tanto, tensión negativa y, por lo tanto, masa negativa . La estabilidad de tales cuerdas 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. [4] [5]
La geometría exterior de una cuerda cósmica (recta) se puede visualizar en un diagrama de incrustación de la siguiente manera: Centrándose 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 alcanza 2π para un cierto valor crítico de la tensión, y el cono degenera en un cilindro. (Al visualizar esta configuración, uno tiene que pensar en una cuerda con un espesor finito). Para valores aún mayores, "supercríticos", 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 tasa constante. El exterior 2D sigue siendo compacto, pero se puede evitar la singularidad cónica y la imagen de incrustación es la de un cigarro en crecimiento. Para tensiones aún mayores (que excedan el valor crítico en aproximadamente un factor de 1,6), la cuerda ya no se puede estabilizar en dirección radial. [6]
Se espera que las cuerdas cósmicas realistas tengan tensiones de alrededor de 6 órdenes de magnitud por debajo del valor crítico y, por lo tanto, siempre sean subcríticas. Sin embargo, las soluciones de cuerdas cósmicas infladas podrían ser relevantes en el contexto de la cosmología de branas , donde la cuerda se promueve a una brana tridimensional (que corresponde a nuestro universo) en una masa de seis dimensiones.
En un principio se pensó que la influencia gravitatoria de las cuerdas cósmicas podría contribuir a la aglomeración a gran escala de la materia en el universo, pero todo lo que se sabe hoy en día a través de estudios de galaxias y mediciones precisas del fondo cósmico de microondas (CMB) encaja con una evolución a partir de fluctuaciones gaussianas aleatorias . Por lo tanto, estas observaciones precisas tienden a descartar un papel significativo de 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 dobleces . Estos, a su vez, hacen que partes de la cuerda se desprendan y formen bucles aislados. Estos bucles tienen una vida útil finita y se desintegran (principalmente) a través de la radiación gravitatoria . Esta radiación, que conduce a la señal más fuerte de las cuerdas cósmicas, puede a su vez ser detectable en observatorios de ondas gravitacionales . Una pregunta importante abierta es hasta qué punto los bucles desplegados retrorreaccionan o cambian el estado inicial de la cuerda cósmica emisora; estos efectos de retroreacción casi siempre se descuidan 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 no distorsionadas 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 la especulación de que se había encontrado una cuerda cósmica. [7] 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. [8] [9] Una cuerda cósmica produciría una imagen duplicada similar de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas , que se pensaba que podría haber sido detectable por la misión Planck Surveyor . [10] Sin embargo, un análisis de 2013 de los datos de la misión Planck no encontró ninguna evidencia de cuerdas cósmicas. [11]
Una prueba de la teoría de cuerdas cósmicas es un fenómeno observado en las observaciones del " cuásar doble " llamado Q0957+561A,B . Descubierto originalmente por Dennis Walsh , Bob Carswell y Ray Weymann en 1979, la doble imagen de este cuásar está causada por una galaxia situada entre él y la Tierra. El efecto de lente gravitacional de esta galaxia intermedia curva la luz del cuásar de modo que sigue dos caminos de diferente longitud hacia la Tierra. El resultado es que vemos dos imágenes del mismo cuásar, una llegando poco tiempo después de la otra (unos 417,1 días después). Sin embargo, un equipo de astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian dirigido por Rudolph Schild estudió el cuásar y descubrió que durante el período comprendido entre septiembre de 1994 y julio de 1995 las dos imágenes parecían no tener retraso temporal; 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 aproximadamente 100 días. [12]
Hasta 2023, los límites más sensibles de los parámetros de las cuerdas cósmicas provenían de la no detección de ondas gravitacionales por los datos de la matriz de sincronización de púlsares . [13] La primera detección de ondas gravitacionales con la matriz de sincronización de púlsares se confirmó en 2023. [14] [15] El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) terrestre y, especialmente, el detector de ondas gravitacionales basado en el espacio, la Antena Espacial por Interferometría Láser (LISA), buscarán ondas gravitacionales y es probable que sean lo suficientemente sensibles para detectar señales de cuerdas cósmicas, siempre que las tensiones de cuerdas cósmicas relevantes no sean demasiado pequeñas.
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 produjeran cuerdas cósmicas en el universo primitivo fue concebida por primera vez por el teórico cuántico de campos Tom Kibble en 1976, [1] y esto generó la primera oleada de interés en el campo.
En 1985, durante la primera revolución de supercuerdas , Edward Witten contempló la posibilidad de que se hubieran producido supercuerdas fundamentales en el universo primitivo y se hubieran estirado hasta escalas macroscópicas, en cuyo caso (siguiendo la nomenclatura de Tom Kibble) se las llamaría supercuerdas cósmicas. [16] Concluyó 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 crecer hasta escalas cósmicas (en el contexto de la teoría de supercuerdas heterótica ), o tendrían 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 aquellos primeros tiempos, 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 de forma perturbativa, otros objetos unidimensionales, como las cuerdas D, y objetos de dimensiones superiores como las D-branas, NS-branas y M-branas parcialmente envueltas en dimensiones internas compactas del espacio-tiempo, mientras que se extienden espacialmente en una dimensión no compacta. La posibilidad de grandes dimensiones compactas y grandes factores de deformación permite cuerdas con una tensión mucho menor que la escala de Planck.
Además, se han descubierto diversas dualidades que apuntan a la conclusión de que, en realidad, todos estos tipos de cuerdas aparentemente diferentes son el mismo objeto tal como aparece en diferentes regiones del espacio de parámetros. Estos nuevos descubrimientos 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 branas [17] , una construcción de la teoría de cuerdas del universo primitivo que conduce a un universo en expansión y a una inflación cosmológica. Posteriormente, el teórico de cuerdas Joseph Polchinski se dio cuenta de que el universo en expansión podría haber estirado una cuerda "fundamental" (el tipo que considera la teoría de supercuerdas) hasta que alcanzó un tamaño intergaláctico. Una cuerda estirada de ese tipo exhibiría muchas de las propiedades de la antigua variedad de cuerdas "cósmicas", lo que haría que los cálculos más antiguos volvieran a ser útiles. Como señala 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 podrían usarse ahora para investigar la teoría de supercuerdas.
Las supercuerdas, cuerdas D u otros objetos con forma de cuerda mencionados anteriormente, estirados a escalas intergalácticas, emitirían ondas gravitacionales, que podrían detectarse mediante experimentos como LIGO y, especialmente, 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.
Cabe señalar 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 los mismos. No obstante, las cuerdas cósmicas ofrecen una ventana a la teoría de cuerdas. Si se observan cuerdas cósmicas, lo que 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 a la estructura del espacio-tiempo.
Hay muchos intentos de detectar la huella de una red de cuerdas cósmicas. [18] [19] [20]
En 1986, John G. Cramer propuso que las naves espaciales equipadas con bobinas magnéticas podrían viajar a lo largo de cuerdas cósmicas, de manera análoga a cómo un tren de levitación magnética viaja a lo largo de una vía férrea. [21]
