Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать со струной в теории струн .

Космические струны являются гипотетическими 1-мерными топологическими дефектами , которые могут быть сформированы во время нарушения симметрии фазового перехода в ранней Вселенной , когда топология из вакуумного коллектора , связанный с этим нарушением симметрии не просто подключена . Ожидается, что на каждый объем Хаббла образуется как минимум одна струна . Об их существовании впервые задумал физик-теоретик Том Киббл в 1970-х годах. [1]

Формирование космических струн в некоторой степени аналогично дефектам, которые образуются между кристаллическими зернами в затвердевающих жидкостях, или трещинам, которые образуются при замерзании воды в лед. Фазовые переходы, приводящие к образованию космических струн, вероятно, произошли в самые ранние моменты эволюции Вселенной, сразу после космологической инфляции , и являются довольно общим предсказанием как в квантовой теории поля, так и в моделях теории струн ранней Вселенной .

Теории, содержащие космические струны [ править ]

В теории струн роль космических струн могут играть сами фундаментальные струны (или F-струны), которые определяют теорию пертурбативно , посредством D-струн, которые связаны с F-струнами слабым-сильным или так называемым S- двойственность , или многомерные D-, NS- или M-браны , которые частично обернуты на компактные циклы, связанные с дополнительными измерениями пространства-времени, так что остается только одно некомпактное измерение. [2]

Прототипным примером квантовой теории поля с космическими струнами является абелева модель Хиггса . Ожидается, что космические струны квантовой теории поля и теории струн будут иметь много общих свойств, но необходимы дополнительные исследования, чтобы определить точные отличительные черты. F-струны, например, полностью квантово-механические и не имеют классического определения, тогда как космические струны теории поля почти исключительно рассматриваются классически.

Размеры [ править ]

Космические струны, если они существуют, были бы чрезвычайно тонкими и имели бы диаметр того же порядка величины, что и протон, то есть ~ 1 фм или меньше. Учитывая, что этот масштаб намного меньше любого космологического масштаба, эти струны часто изучаются в приближении нулевой ширины или в приближении Намбу – Гото. В этом предположении струны ведут себя как одномерные объекты и подчиняются действию Намбу – Гото , которое классически эквивалентно действию Полякова , определяющему бозонный сектор теории суперструн .

В теории поля ширина струны задается масштабом фазового перехода, нарушающего симметрию. В теории струн ширина струны задается (в простейших случаях) фундаментальным масштабом струны, факторами деформации (связанными с кривизной пространства-времени внутреннего шестимерного пространственно-временного многообразия) и / или размером внутренних компактных измерений . (В теории струн Вселенная бывает 10- или 11-мерной, в зависимости от силы взаимодействий и кривизны пространства-времени.)

Гравитация [ править ]

Струна - это геометрическое отклонение от евклидовой геометрии в пространстве-времени, характеризующееся угловым дефицитом: окружность вокруг струны будет составлять общий угол меньше 360 °. Согласно общей теории относительности, такой геометрический дефект должен находиться в напряжении и проявляться в массе. Несмотря на то, что космические струны считаются чрезвычайно тонкими, они будут иметь огромную плотность и, следовательно, будут представлять собой значительные источники гравитационных волн. Космическая струна длиной около километра может быть массивнее Земли.

Однако общая теория относительности предсказывает, что гравитационный потенциал прямой струны исчезает: нет гравитационной силы на статическое окружающее вещество. Единственный гравитационный эффект прямой космической струны - это относительное отклонение материи (или света), проходящей через струну в противоположные стороны (чисто топологический эффект). Замкнутая космическая струна тяготеет более обычным образом. [ требуется разъяснение ]

Во время расширения Вселенной космические струны образуют сеть петель, и в прошлом считалось, что их гравитация могла быть ответственной за первоначальное скопление вещества в галактические сверхскопления . Теперь подсчитано, что их вклад в формирование структуры во Вселенной составляет менее 10%.

Космическая струна с отрицательной массой [ править ]

Стандартная модель космической струны представляет собой геометрическую структуру с дефицитом угла, которая, таким образом, находится в напряжении и, следовательно, имеет положительную массу. В 1995 году Visser et al. предположил, что космические струны теоретически могут также существовать с превышением углов и, следовательно, отрицательным натяжением и, следовательно, отрицательной массой . Стабильность таких экзотических материальных струн проблематична; однако они предположили, что если струна с отрицательной массой будет обернута вокруг червоточины в ранней Вселенной, такая червоточина может быть достаточно стабилизирована, чтобы существовать в наши дни. [3] [4]

Сверхкритическая космическая струна [ править ]

Внешнюю геометрию (прямой) космической струны можно визуализировать на диаграмме встраивания следующим образом: если сосредоточиться на двумерной поверхности, перпендикулярной струне, ее геометрия представляет собой конус, который получается вырезанием клина с углом δ. и склейка краев. Угловой дефицит δ линейно связан с натяжением струны (= массой на единицу длины), т.е. чем больше натяжение, тем круче конус. Следовательно, при некотором критическом значении натяжения δ достигает 2π, и конус вырождается в цилиндр. (Визуализируя эту схему, нужно представить себе струну конечной толщины.) Для еще больших, «сверхкритических» значений δ превышает 2π, и (двумерная) внешняя геометрия закрывается (становится компактной), в конце концов в конической особенности.

Однако эта статическая геометрия нестабильна в сверхкритическом случае (в отличие от докритических напряжений): небольшие возмущения приводят к динамическому пространству-времени, которое расширяется в осевом направлении с постоянной скоростью. Двумерный внешний вид по-прежнему компактен, но конической сингулярности можно избежать, а встраиваемая картина - это растущая сигара. При еще больших натяжениях (превышающих критическое значение примерно в 1,6 раза) струна больше не может стабилизироваться в радиальном направлении. [5]

Ожидается, что реалистичные космические струны будут иметь натяжение примерно на 6 порядков ниже критического значения и, таким образом, всегда будут докритическими. Однако решения с раздуванием космических струн могут иметь значение в контексте космологии бран , где струна превращается в 3- брану (соответствующую нашей Вселенной) в шестимерном балке.

Наблюдательные доказательства [ править ]

Когда-то считалось, что гравитационное влияние космических струн может способствовать крупномасштабному скоплению материи во Вселенной, но все, что известно сегодня из обзоров галактик и точных измерений космического микроволнового фона (CMB), соответствует эволюции из случайные гауссовы колебания. Таким образом, эти точные наблюдения, как правило, исключают важную роль космических струн, и в настоящее время известно, что вклад космических струн в реликтовый фон не может превышать 10%.

Жестокие колебания космических струн в общем приводят к образованию остриев и перегибов . Это, в свою очередь, приводит к тому, что части струны сгибаются в отдельные петли. Эти петли имеют конечный срок жизни и распадаются (в основном) под действием гравитационного излучения . Это излучение, которое приводит к сильнейшему сигналу от космических струн, в свою очередь, может быть обнаружено в обсерваториях гравитационных волн . Важный открытый вопрос заключается в том, в какой степени защемленные петли оказывают обратную реакцию или изменяют начальное состояние излучающей космической струны - такими эффектами обратной реакции почти всегда пренебрегают в расчетах и, как известно, они важны даже для оценок порядка величины.

Гравитационное линзирование галактики прямым участком космической струны даст два идентичных неискаженных изображения галактики. В 2003 году группа во главе с Михаилом Сажиным сообщила о случайном открытии двух, казалось бы, идентичных галактик очень близко друг к другу в небе, что привело к предположению, что была обнаружена космическая струна. [6] Однако наблюдения космического телескопа Хаббл в январе 2005 года показали, что это пара похожих галактик, а не два изображения одной и той же галактики. [7] [8] Космическая струна создаст аналогичное дублированное изображение флуктуаций космического микроволнового фона , которое, как считалось, могло быть обнаружено Planck Surveyor.миссия. [9] Однако анализ данных миссии Planck в 2013 году не смог найти никаких доказательств существования космических струн. [10]

Часть доказательств , подтверждающих космическую теорию струн это явление заметил в наблюдениях «двойной квазар » под названием Q0957 + 561A, B . Изначально обнаруженный Деннисом Уолшем , Бобом Карсвеллом и Рэем Вейманном в 1979 году, двойное изображение этого квазара вызвано галактикой, расположенной между ним и Землей. Эффект гравитационной линзы этой промежуточной галактики искривляет свет квазара так, что он следует к Земле двумя путями разной длины. В результате мы видим два изображения одного и того же квазара, одно из которых появляется через короткое время (примерно 417,1 дня спустя). Однако группа астрономов Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики во главе с Рудольфом Шильдомизучил квазар и обнаружил, что в период с сентября 1994 г. по июль 1995 г. у двух изображений не было временной задержки; изменения яркости двух изображений произошли одновременно в четырех разных случаях. Шильд и его команда полагают, что единственное объяснение этого наблюдения состоит в том, что космическая струна прошла между Землей и квазаром в течение этого периода времени, двигаясь с очень высокой скоростью и колеблясь с периодом около 100 дней. [11]

В настоящее время наиболее чувствительные ограничения на параметры космических струн связаны с тем, что гравитационные волны не обнаруживаются данными временного массива Pulsar . [12] Земная обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) и особенно космический детектор гравитационных волн Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) будут искать гравитационные волны и, вероятно, будут достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать сигналы от космических струн, при условии, что соответствующие натяжения космических струн не слишком малы.

Теория струн и космические струны [ править ]

На заре теории струн и теоретики струн, и теоретики космических струн считали, что нет прямой связи между суперструнами и космическими струнами (названия были выбраны независимо по аналогии с обычной струной ). Возможность образования космических струн в ранней Вселенной была впервые представлена ​​теоретиком квантовой теории поля Томом Кибблом в 1976 году [1], и это вызвало первый всплеск интереса к этой области. В 1985 году, во время первой суперструнной революции , Эдвард Виттенпредполагалось, что фундаментальные суперструны были образованы в ранней Вселенной и растянуты до макроскопических масштабов, и в этом случае (в соответствии с номенклатурой Тома Киббла) они будут называться космическими суперструнами. Он пришел к выводу, что если бы они были произведены, они либо распались бы на более мелкие струны, прежде чем когда-либо достигли макроскопических масштабов (в случае теории суперструн типа I ), они всегда были бы как границы доменных стенок , натяжение которых заставило бы струны схлопнуться, а не вырастают до космических масштабов (в контексте теории гетеротических суперструн ) или имеют характерный энергетический масштаб, близкий к планковской энергии, они были бы произведены раньшекосмологическая инфляция и, следовательно, будет разбавлена ​​расширением Вселенной и не будет наблюдаема.

С тех пор многое изменилось, в первую очередь из-за второй суперструнной революции . Теперь известно, что теория струн в дополнение к фундаментальным струнам, которые определяют теорию пертурбативно, также содержит другие одномерные объекты, такие как D-струны, и объекты более высокой размерности, такие как D-браны, NS-браны и M-браны. частично завернутый в компактные внутренние пространственно-временные измерения, в то время как пространственно расширенный в одном некомпактном измерении. Возможность больших компактных размеров и больших коэффициентов коробленияпозволяет струнам с натяжением намного ниже планковской шкалы. Более того, различные обнаруженные двойственности указывают на вывод, что на самом деле все эти очевидно разные типы струн - это один и тот же объект, который появляется в разных областях пространства параметров. Эти новые разработки в значительной степени возродили интерес к космическим струнам, начиная с начала 2000-х годов.

В 2002 году Генри Тая и соавторы предсказал производство космических суперструн в течение последних стадиях бранной инфляции , [13] строка теории построение ранней Вселенной , что дает приводит к расширяющейся Вселенной и космологической инфляции. Впоследствии теоретик струн Джозеф Полчински понял, что расширяющаяся Вселенная могла растянуть «фундаментальную» струну (тот вид, который рассматривается в теории суперструн) до тех пор, пока она не станет межгалактического размера. Такая натянутая струна будет демонстрировать многие из свойств старой разновидности «космических» струн, что снова сделает старые вычисления полезными. Как теоретик Том Кибблотмечает: «Космологи теории струн обнаружили космические струны, скрывающиеся повсюду в подлеске». Старые предложения по обнаружению космических струн теперь можно использовать для исследования теории суперструн.

Суперструны, D-струны или другие струнные объекты, упомянутые выше, растянутые до межгалактических масштабов, будут излучать гравитационные волны, которые можно обнаружить с помощью таких экспериментов, как LIGO, и особенно космического эксперимента с гравитационными волнами LISA. Они также могут вызывать небольшие неоднородности в космическом микроволновом фоне, слишком тонкие, чтобы их еще можно было обнаружить, но, возможно, в пределах области наблюдения в будущем.

Обратите внимание, что большинство из этих предложений, однако, зависит от соответствующих космологических основ (струны, браны и т. Д.), И на сегодняшний день убедительных экспериментальных подтверждений их не было. Тем не менее, космические струны открывают окно в теорию струн. Если наблюдаются космические струны, что является реальной возможностью для широкого диапазона космологических моделей струн, это станет первым экспериментальным свидетельством модели теории струн, лежащей в основе структуры пространства-времени.

Сеть космических струн [ править ]

Есть много попыток обнаружить след сети космических струн. [14] [15] [16]

См. Также [ править ]

  • 0-мерный топологический дефект: магнитный монополь
  • 2-мерный топологический дефект: доменная стенка (например, 1-мерный топологический дефект: космическая струна)
  • Петля космической струны, стабилизированная фермионным сверхтоком: вортон

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Киббл, Том В.К. (1976). «Топология космических доменов и струн». Журнал физики A: математический и общий . 9 (8): 1387–1398. Bibcode : 1976JPhA .... 9.1387K . DOI : 10.1088 / 0305-4470 / 9/8/029 .
  2. ^ Коупленд, Эдмунд Дж; Майерс, Роберт С; Полчинский, Джозеф (2004). «Космические фа и ре-струны». Журнал физики высоких энергий . 2004 (6): 013. arXiv : hep-th / 0312067 . Bibcode : 2004JHEP ... 06..013C . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2004/06/013 . S2CID 140465 . 
  3. ^ Крамер, Джон; Нападающий Роберт; Моррис, Майкл; Виссер, Мэтт; Бенфорд, Грегори; Лэндис, Джеффри (1995). «Природные червоточины как гравитационные линзы». Physical Review D . 51 (6): 3117–3120. arXiv : astro-ph / 9409051 . Bibcode : 1995PhRvD..51.3117C . DOI : 10.1103 / PhysRevD.51.3117 . PMID 10018782 . S2CID 42837620 .  
  4. ^ «В поисках« Метро к звездам » » (пресс-релиз). Архивировано из оригинала на 2012-04-15.
  5. ^ Нидерманн, Флориан; Шнайдер, Роберт (2015). «Радиально стабилизированные надувные космические струны». Phys. Rev. D . 91 (6): 064010. arXiv : 1412.2750 . Bibcode : 2015PhRvD..91f4010N . DOI : 10.1103 / PhysRevD.91.064010 . S2CID 118411378 . 
  6. ^ Сажин, М .; Longo, G .; Capaccioli, M .; Alcala, JM; Silvotti, R .; Covone, G .; Хованская, О .; Павлов, М .; Pannella, M .; и другие. (2003). «CSL-1: Случайный эффект проекции или случайное открытие гравитационной линзы, вызванной космической струной?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph / 0302547 . Bibcode : 2003MNRAS.343..353S . DOI : 10.1046 / j.1365-8711.2003.06568.x . S2CID 18650564 . 
  7. ^ Агол, Эрик; Хоган, Крейг; Плоткин, Ричард (2006). «Визуализация Хаббла исключает линзу космической струны». Physical Review D . 73 (8): 87302. arXiv : astro-ph / 0603838 . Bibcode : 2006PhRvD..73h7302A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.73.087302 . S2CID 119450257 . 
  8. ^ Сажин, М.В.; Capaccioli, M .; Longo, G .; Паолильо, М .; Хованская, О.С.; Грогин Н.А.; Schreier, EJ; Ковоне, Г. (2006). «Истинная природа CSL-1». arXiv : astro-ph / 0601494 .
  9. ^ Fraisse, Орельен; Рингеваль, Кристоф; Спергель, Дэвид; Буше, Франсуа (2008). «Малоугловая анизотропия температуры реликтового излучения, вызванная космическими струнами». Physical Review D . 78 (4): 43535. arXiv : 0708.1162 . Bibcode : 2008PhRvD..78d3535F . DOI : 10.1103 / PhysRevD.78.043535 . S2CID 119145024 . 
  10. ^ Сотрудничество Планка; Ade, PAR; Aghanim, N .; Armitage-Caplan, C .; Arnaud, M .; Ashdown, M .; Атрио-Барандела, Ф .; Aumont, J .; Baccigalupi, C .; Banday, AJ; Баррейро, РБ; Bartlett, JG; Bartolo, N .; Battaner, E .; Battye, R .; Benabed, K .; Benoît, A .; Бенуа-Леви, А .; Bernard, J. -P .; Bersanelli, M .; Bielewicz, P .; Bobin, J .; Бок, JJ; Bonaldi, A .; Bonavera, L .; Бонд, младший; Borrill, J .; Буше, Франция; Мосты, М .; и другие. (2013). «Результаты Planck 2013. XXV. Поиски космических струн и других топологических дефектов». Астрономия и астрофизика . 571 : A25. arXiv : 1303,5085 . Бибкод : 2014A & A ... 571A..25P . doi :10.1051 / 0004-6361 / 201321621 . S2CID  15347782 .
  11. ^ Schild, R .; Масняк И.С.; Гнатык, Б.И.; Жданов, В. И. (2004). «Аномальные колебания в наблюдениях Q0957 + 561 A, B: Дымящаяся пушка космической струны?». Астрономия и астрофизика . 422 (2): 477–482. arXiv : astro-ph / 0406434 . Бибкод : 2004A & A ... 422..477S . DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20040274 . S2CID 16939392 . 
  12. ^ Арзуманян, Завен; Брейзер, Адам; Берк-Сполаор, Сара; Чемберлин, Сидней; Чаттерджи, Шами; Кристи, Брайан; Кордес, Джим; Корниш, Нил; Деморест, Пол; Дэн, Сихао; Дольч, Тим; Эллис, Джастин; Фердман, Роб; Фонсека, Эммануэль; Гарвер-Дэниелс, Нейт; Дженет, Фредрик; Джонс, Гленн; Каспи, Вики; Куп, Майкл; Лам, Майкл; Лацио, Джозеф; Левин, Лина; Ломмен, Андреа; Лоример, Дункан; Ло, Джин; Линч, Райан; Мэдисон, Дастин; Маклафлин, Маура; Маквильямс, Шон; и другие. (2015). «Девятилетний набор данных NANOGrav: ограничения на фон изотропных стохастических гравитационных волн». Астрофизический журнал . 821 (1): 13. arXiv : 1508.03024 . Bibcode : 2016ApJ ... 821 ... 13A .DOI : 10,3847 / 0004-637X / 821 / 1/13 . S2CID  34191834 .
  13. ^ Саранги, Сасват; Тай, С.-Х. Генри (2002). «Производство космических струн к концу инфляции браны». Физика Письма Б . 536 (3–4): 185. arXiv : hep-th / 0204074 . Bibcode : 2002PhLB..536..185S . DOI : 10.1016 / S0370-2693 (02) 01824-5 . S2CID 14274241 . 
  14. ^ Мовахед, М. Садех; Javanmardi, B .; Шет, Рави К. (01.10.2013). «Пик-пик корреляции в космическом фоновом излучении космических струн» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 434 (4): 3597–3605. arXiv : 1212.0964 . Bibcode : 2013MNRAS.434.3597M . DOI : 10.1093 / MNRAS / stt1284 . ISSN 0035-8711 . S2CID 53499674 .  
  15. ^ Вафаэй Садр, А; Movahed, SMS; Фарханг, М. Рингеваль, С; Буше, Франция (2017-12-14). «Многоуровневый конвейер для поиска струнно-индуцированной анизотропии реликтового излучения». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 475 (1): 1010–1022. arXiv : 1710.00173 . Bibcode : 2018MNRAS.475.1010V . DOI : 10.1093 / MNRAS / stx3126 . ISSN 0035-8711 . S2CID 5825048 .  
  16. ^ Вафаэй Садр, А; Фарханг, М. Movahed, SMS; Бассетт, Б; Кунц, М (2018-05-01). «Обнаружение космических строк с помощью машинного обучения на основе дерева». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 478 (1): 1132–1140. arXiv : 1801.04140 . Bibcode : 2018MNRAS.478.1132V . DOI : 10.1093 / MNRAS / sty1055 . ISSN 0035-8711 . S2CID 53330913 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Художественная перспектива Cosmic Strings
  • Моделирование космической струны
  • http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cs_interact.html
  • Сажин, М .; Longo, G .; Capaccioli, M .; Alcala, JM; Silvotti, R .; Covone, G .; Хованская, О .; Павлов, М .; Pannella, M .; и другие. (2003). «CSL-1: Случайный эффект проекции или случайное открытие гравитационной линзы, вызванной космической струной?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph / 0302547 . Bibcode : 2003MNRAS.343..353S . DOI : 10.1046 / j.1365-8711.2003.06568.x . S2CID  18650564 .
  • Schild, R .; Масняк И.С.; Гнатык, Б.И.; Жданов, В. И. (2004). «Аномальные колебания в наблюдениях Q0957 + 561 A, B: Дымящаяся пушка космической струны?». Астрономия и астрофизика . 422 (2): 477–482. arXiv : astro-ph / 0406434 . Бибкод : 2004A & A ... 422..477S . DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20040274 . S2CID  16939392 .
  • Киббл, TWB (2004). «Космические струны возрождаются?». arXiv : astro-ph / 0410073 .
  • Lo, Amy S .; Райт, Эдвард Л. (2005). «Сигнатуры космических струн на космическом микроволновом фоне». arXiv : astro-ph / 0503120 .
  • Сажин, М .; Capaccioli, M .; Longo, G .; Паолильо, М .; Хованская, О. (2006). «Дальнейшие спектроскопические наблюдения объекта CSL 1». Астрофизический журнал . 636 (1): L5 – L8. arXiv : astro-ph / 0506400 . Bibcode : 2006ApJ ... 636L ... 5S . DOI : 10.1086 / 499429 . S2CID  10176938 .
  • Агол, Эрик; Хоган, Крейг; Плоткин, Ричард (2006). «Визуализация Хаббла исключает линзу космической струны». Physical Review D . 73 (8): 87302. arXiv : astro-ph / 0603838 . Bibcode : 2006PhRvD..73h7302A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.73.087302 . S2CID  119450257 .
  • Доктор Кип Торн , ИТП и Калифорнийский технологический институт. Искажения пространства-времени и квант: взгляд в будущее. Лекционные слайды и аудио
  • Космические струны и суперструны на arxiv.org