Las cuerdas cósmicas son hipotéticos defectos topológicos unidimensionales que pueden haberse formado durante una transición de fase de ruptura de simetría en el universo temprano, 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 los años 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 a las grietas que se forman cuando el agua se congela y se convierte en hielo. Es probable que las transiciones de fase que llevaron 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 temprano .
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 la teoría de cuerdas cósmicas tengan muchas propiedades en común, pero se necesita más investigación para determinar las características distintivas precisas. Las cuerdas F, por ejemplo, son totalmente 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.
En la teoría de supercuerdas , el papel de las cuerdas cósmicas puede ser desempeñado por las cuerdas fundamentales (o cuerdas F) que definen la teoría perturbativamente , por las cuerdas D que están relacionadas con las cuerdas F por medio de cuerdas débil-fuerte o las llamadas cuerdas S. dualidad , o branas D, NS o M de dimensiones superiores que están parcialmente envueltas en ciclos compactos asociados a dimensiones espacio-temporales adicionales de modo que solo queda una dimensión no compacta. [2]
Las cuerdas cósmicas, si existieran, serían extremadamente delgadas con diámetros del mismo orden de magnitud que el de un protón, es decir, ~ 1 fm , o menos. 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 de Nambu-Goto , que es clásicamente equivalente a la acción de Polyakov que define el sector bosónico de la teoría de supercuerdas .
En la teoría de campos, el ancho de la cuerda está determinado por 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 espacio-temporal 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, 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 caracterizada por un déficit angular: un círculo alrededor del exterior de una cuerda comprendería un ángulo total inferior a 360°. [3] Según la teoría general de la relatividad, tal defecto geométrico debe estar en tensión y se manifestaría en 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 desaparece: no hay fuerza gravitacional sobre la materia estática circundante. El único efecto gravitacional 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 forma más convencional. [ se necesita aclaración ]
Durante la expansión del universo, las cuerdas cósmicas formarían 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 . Actualmente se calcula que su contribución a la formación de estructuras 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 tanto está en tensión y por tanto tiene masa positiva. En 1995, Visser et al. propuso que, en teoría, las cuerdas cósmicas también podrían existir con excesos de ángulos y, por tanto, tensión negativa y, por tanto, masa negativa . La estabilidad de estas cuerdas de materia exótica es problemática; sin embargo, sugirieron que si se enrollara una cuerda de masa negativa 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 a un cilindro. (Al visualizar esta configuración, uno tiene que pensar en una cuerda con un grosor finito). Para valores "supercríticos" aún mayores, 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 un ritmo 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 superen 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 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 branas , donde la cuerda se promueve a una 3- brana (correspondiente a nuestro universo) en una masa de seis dimensiones.
Alguna vez se pensó que la influencia gravitacional de las cuerdas cósmicas podría contribuir a la acumulación de materia a gran escala en el universo, pero todo lo que se sabe hoy a través de estudios de galaxias y mediciones de precisión del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) encaja con una evolución fuera de lo común. fluctuaciones aleatorias gaussianas . Por lo tanto, estas observaciones precisas tienden a descartar un papel importante 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 torceduras . Estos, a su vez, hacen que partes de la cuerda se desprendan en bucles aislados. Estos bucles tienen una vida útil finita y se desintegran (principalmente) mediante radiación gravitacional . Esta radiación, que produce la señal más fuerte de las cuerdas cósmicas, puede a su vez ser detectable en observatorios de ondas gravitacionales . Una cuestión abierta importante es en qué medida los bucles desconectados reaccionan o cambian el estado inicial de la cadena cósmica emisora; tales efectos de reacción casi siempre se pasan por alto en los cálculos y se sabe que son importantes, incluso para estimaciones de orden de magnitud.
La lente gravitacional de una galaxia mediante una sección recta de una cuerda cósmica produciría dos imágenes idénticas y sin distorsiones de la galaxia. En 2003, un grupo liderado 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 cadena cósmica. [7] Sin embargo, las observaciones realizadas por el 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 pensó que podría haber sido detectable por la misión Planck Surveyor . [10] Sin embargo, un análisis de datos de la misión Planck realizado en 2013 no logró encontrar ninguna evidencia de cuerdas cósmicas. [11]
Una prueba que respalda la teoría de cuerdas cósmicas es un fenómeno observado en las observaciones del "doble cuásar " llamado Q0957+561A,B . Descubierto originalmente por Dennis Walsh , Bob Carswell y Ray Weymann en 1979, la doble imagen de este cuásar es causada por una galaxia situada entre él y la Tierra. El efecto de lente gravitacional de esta galaxia intermedia desvía la luz del quásar para que siga dos caminos de diferentes longitudes 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 Harvard-Smithsonian de Astrofísica 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 viajando a muy alta velocidad y oscilando con un período de aproximadamente 100 días. [12]
Actualmente, los límites más sensibles de los parámetros de las cuerdas cósmicas provienen de la no detección de ondas gravitacionales mediante datos de la matriz de sincronización de púlsares . [13] El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser (LIGO) terrestre y especialmente el detector de ondas gravitacionales con base espacial Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) buscarán ondas gravitacionales y es probable que sean lo suficientemente sensibles para detectar señales de cuerdas cósmicas, siempre que las tensiones de las cuerdas cósmicas relevantes no son 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 existía una conexión directa entre las supercuerdas y las cuerdas cósmicas (los nombres se elegían de forma independiente por analogía con las cuerdas ordinarias ). La posibilidad de que se produjeran cuerdas cósmicas en el universo primitivo fue imaginada por primera vez por el teórico de campos cuánticos Tom Kibble en 1976, [1] y esto generó la primera oleada de interés en el campo.
En 1985, durante la primera revolución de las supercuerdas , Edward Witten contempló la posibilidad de que las supercuerdas fundamentales se hubieran producido en el universo primitivo y se hubieran extendido a escalas macroscópicas, en cuyo caso (siguiendo la nomenclatura de Tom Kibble) se las denominaría entonces cósmicas. supercuerdas. [14] 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 ), o siempre aparecerían como límites de paredes de dominio cuya tensión obligaría a las cuerdas a moverse. colapsarían en lugar de crecer a escalas cósmicas (en el contexto de la teoría de supercuerdas heteróticas ), 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 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 espacio-temporales internas compactas, mientras se extienden espacialmente en una dimensión no compacta. La posibilidad de grandes dimensiones compactas y grandes factores de alabeo permite cuerdas con una tensión mucho menor que la escala de Planck.
Además, varias dualidades que se han descubierto apuntan a la conclusión de que en realidad todos estos tipos aparentemente diferentes de cuerdas son simplemente el mismo objeto tal como 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 branas , [15] una construcción de la teoría de cuerdas del universo temprano 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" (del tipo que considera la teoría de supercuerdas) hasta que fuera de tamaño intergaláctico. Una cuerda tan estirada exhibiría muchas de las propiedades de la antigua variedad de cuerdas "cósmicas", haciendo 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 acechando por todas partes entre la maleza". Propuestas más antiguas para detectar cuerdas cósmicas ahora podrían utilizarse para investigar la teoría de supercuerdas.
Las supercuerdas, cuerdas D u otros objetos fibrosos mencionados anteriormente, extendidos a escalas intergalácticas, irradiarían 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.
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. Sin embargo, las cuerdas cósmicas ofrecen 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 subyacente a la estructura del espacio-tiempo.
Hay muchos intentos de detectar la huella de una red de cuerdas cósmicas. [16] [17] [18]
