cuerda cósmica

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 .

En términos menos formales, son hipotéticos defectos largos y delgados en el tejido del espacio. Podrían haberse formado en el universo primitivo durante un proceso en el que se rompieron ciertas simetrías . 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, en cierto modo, análoga a las imperfecciones que se forman entre los granos de cristal en 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 dan lugar a la producción de cuerdas cósmicas hayan ocurrido durante los primeros instantes de la evolución del universo, justo después de la inflación cosmológica , y constituyen una predicción bastante común 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 de Higgs abeliano . Se espera que las cuerdas cósmicas de la teoría cuántica de campos y de la teoría de cuerdas compartan muchas propiedades, pero se necesita más investigación para determinar las características distintivas precisas. Las cuerdas F, por ejemplo, son completamente cuánticas y carecen de 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 propias cuerdas fundamentales (o cuerdas F) que definen la teoría de forma perturbativa , por cuerdas D que están relacionadas con las cuerdas F por la 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 espaciotemporales adicionales de modo que solo queda una dimensión no compacta. ^{[ 2 ]}

Las cuerdas cósmicas, si existen, serían defectos topológicos extremadamente delgados 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 de Nambu-Goto. Bajo esta suposición, las cuerdas se comportan como objetos unidimensionales y obedecen 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 viene determinado por la escala de la transición de fase que rompe la simetría . En la teoría de cuerdas, el ancho de la cuerda viene determinado (en los casos más simples) por la escala fundamental de la cuerda, los factores de deformación (asociados a la curvatura del espaciotiempo de una variedad interna de seis dimensiones) y/o el tamaño de las dimensiones compactas internas . (En la teoría de cuerdas, el universo es de 10 u 11 dimensiones, dependiendo de la intensidad de las interacciones y la curvatura del espaciotiempo).

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 abarcaría un ángulo total menor 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 fuentes significativas de ondas gravitacionales. Una cuerda cósmica de aproximadamente un kilómetro de longitud podría ser más masiva que la Tierra.

Sin embargo, la relatividad general predice que el potencial gravitatorio de una cuerda recta se anula: no existe fuerza gravitatoria 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 manera más convencional.

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

En el pasado se pensaba que la influencia gravitacional de las cuerdas cósmicas podría contribuir a la agrupación a gran escala de la materia en el universo, pero todo lo que se sabe hoy en día gracias a los estudios de galaxias y las mediciones precisas del fondo cósmico de microondas (CMB) se ajusta a 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 su contribución al CMB no puede superar el 10 %.

Las violentas oscilaciones de las cuerdas cósmicas suelen dar lugar a la formación de cúspides y torceduras . Estas, a su vez, provocan que partes de la cuerda se desprendan formando bucles aislados. Estos bucles tienen una vida útil finita y se desintegran (principalmente) mediante radiación gravitacional . Esta radiación, que produce la señal más intensa de las cuerdas cósmicas, puede detectarse en observatorios de ondas gravitacionales . Una cuestión importante aún sin resolver es hasta qué punto los bucles desprendidos reaccionan o modifican el estado inicial de la cuerda cósmica emisora; estos efectos de reacción inversa 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 producida por una sección recta de una cuerda cósmica generaría dos imágenes idénticas y sin distorsión de la galaxia. En 2003, un grupo liderado por Mikhail Sazhin informó del descubrimiento accidental de dos galaxias aparentemente idénticas muy cerca una de la otra en el cielo, lo que llevó a especular que se había encontrado una cuerda cósmica. ^{[ 7 ]} Sin embargo, las observaciones del Telescopio Espacial Hubble en enero de 2005 mostraron que se trataba de un par de galaxias similares, no de 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 encontró ninguna evidencia de cuerdas cósmicas. ^{[ 11 ]}

Una prueba que respalda la teoría de cuerdas cósmicas es un fenómeno observado en el cuásar doble Q0957 +561A,B . Descubierto originalmente por Dennis Walsh , Bob Carswell y Ray Weymann en 1979, la doble imagen de este cuásar se debe a una galaxia situada entre él y la Tierra. El efecto de lente gravitacional de esta galaxia intermedia desvía la luz del cuásar, haciendo que siga dos trayectorias de distinta longitud hacia la Tierra. Como resultado, vemos dos imágenes del mismo cuásar, una llegando poco después de la otra (aproximadamente 417,1 días después). Sin embargo, un equipo de astrónomos del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, liderado por Rudolph Schild, estudió el cuásar y descubrió que, entre septiembre de 1994 y julio de 1995, las dos imágenes parecían no tener desfase temporal; los cambios en el brillo de ambas 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 sobre los parámetros de las cuerdas cósmicas provenían de la no detección de ondas gravitacionales mediante datos de matrices de cronometraje de púlsares . ^{[ 13 ]} La primera detección de ondas gravitacionales con matrices de cronometraje 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 espacial Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA) buscarán ondas gravitacionales y es probable que sean lo suficientemente sensibles como para detectar señales de cuerdas cósmicas, siempre que las tensiones relevantes de las cuerdas cósmicas no sean demasiado pequeñas.

Durante los primeros tiempos 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 eligieron independientemente por analogía con las cuerdas ordinarias ). La posibilidad de que las cuerdas cósmicas se produjeran en el universo primitivo fue concebida por primera vez por el teórico cuántico de campos Tom Kibble en 1976, ^{[ 1 ]} y esto generó el primer gran 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 temprano y se hubieran estirado a escalas macroscópicas, en cuyo caso (siguiendo la nomenclatura de Tom Kibble) se las denominaría supercuerdas cósmicas. ^{[ 16 ]} Concluyó que, de haberse 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 a escalas cósmicas (en el contexto de la teoría de supercuerdas heteróticas ), o, teniendo una escala de energía característica cercana a la energía de Planck, se habrían producido antes de la inflación cosmológica y, por lo tanto, se habrían diluido con la expansión del universo y no habrían sido 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 branas D, NS y M, parcialmente enrolladas en dimensiones internas compactas del espaciotiempo, mientras que se extienden espacialmente en una dimensión no compacta. La posibilidad de grandes dimensiones compactas y grandes factores de deformación permite la existencia de cuerdas con una tensión mucho menor que la escala de Planck.

Además, las diversas dualidades descubiertas sugieren que, en realidad, todos estos tipos de cuerdas aparentemente diferentes son el mismo objeto, tal como aparece en distintas regiones del espacio de parámetros . Estos nuevos descubrimientos han reavivado en gran medida el interés por las cuerdas cósmicas desde 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 temprano que conduce 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 una cuerda "fundamental" (del tipo que considera la teoría de supercuerdas) hasta alcanzar un tamaño intergaláctico. Dicha cuerda estirada exhibiría muchas de las propiedades de la antigua variedad de cuerdas "cósmicas", lo que hace que los cálculos anteriores vuelvan a ser útiles. Como señala el teórico Tom Kibble , "los cosmólogos de la teoría de cuerdas han descubierto cuerdas cósmicas acechando por todas partes en la maleza". Las propuestas anteriores para detectar cuerdas cósmicas podrían utilizarse ahora para investigar la teoría de supercuerdas.

Las supercuerdas, las cuerdas D u otros objetos filiformes mencionados anteriormente, al extenderse 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 leves irregularidades en el fondo cósmico de microondas, demasiado sutiles para haber sido detectadas aún, 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 experimentalmente ninguna evidencia concluyente de las mismas. No obstante, las cuerdas cósmicas ofrecen una perspectiva de 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 a la estructura del espaciotiempo.

Existen numerosos 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 forma análoga a como un tren de levitación magnética viaja a lo largo de una vía férrea. ^{[ 21 ]}

• Defecto topológico de dimensión 0: monopolo magnético
• Defecto topológico bidimensional: pared de dominio (ejemplo de defecto topológico unidimensional: una cuerda cósmica)
• Bucle de cuerda cósmica estabilizado por una supercorriente fermiónica: vortón

• Una perspectiva artística de las Cuerdas Cósmicas
• Una simulación de cuerdas cósmicas
• http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cs_interact.html
• Sazhin, M.; Longo, G.; Capaccioli, M.; Alcala, JM; Silvotti, R.; Covone, G.; Khovanskaya, O.; Pavlov, M.; Pannella, M.; et  al. (2003). "CSL-1: ¿Efecto de proyección casual o descubrimiento fortuito de una lente gravitacional inducida por una cuerda cósmica?" . Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph/0302547 . Bibcode : 2003MNRAS.343..353S . doi : 10.1046/j.1365-8711.2003.06568.x . S2CID 18650564 . 
• Schild, R.; Masnyak, IS; Hnatyk, BI; Zhdanov, VI (2004). "Fluctuaciones anómalas en las observaciones de Q0957+561 A,B: ¿Prueba irrefutable de una cuerda cósmica?". Astronomía y Astrofísica . 422 (2): 477– 482. arXiv : astro-ph/0406434 . Bibcode : 2004A & A...422..477S . doi : 10.1051/0004-6361:20040274 . S2CID 16939392 . 
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• Dr. Kip Thorne , ITP y Caltech. Distorsiones del espacio-tiempo y la mecánica cuántica: una visión del futuro. Diapositivas y audio de la conferencia.
• Cuerdas cósmicas y supercuerdas en arxiv.org