Космическая струна - Cosmic string

Не путать с нить в теория струн.

Космические струны являются гипотетическими одномерными топологические дефекты которые могли образоваться во время нарушение симметрии фаза перехода в ранней вселенной, когда топология из вакуум многообразие, связанное с этим нарушением симметрии, не было односвязный. Ожидается, что по крайней мере одна строка на Объем Хаббла сформирован. Об их существовании впервые подумал физик-теоретик. Том Киббл в 1970-е гг.[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, ведущие к образованию космических струн, вероятно, произошли в самые ранние моменты эволюции Вселенной, сразу после космологическая инфляция, и являются довольно общим прогнозом в обоих квантовая теория поля и теория струн модели ранняя вселенная.

Теории, содержащие космические струны

В теории струн роль космических струн могут играть сами фундаментальные струны (или F-струны), которые определяют теорию. пертурбативно, D-струнами, которые связаны с F-струнами слабым-сильным или так называемым S-дуальность, или многомерный D-, NS- или M-браны которые частично завернуты в 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

Космические струны, если они существуют, были бы чрезвычайно тонкими с диаметром того же порядка, что и у протона, т. Е. ~ 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 Действие Намбу – Гото, что классически эквивалентно Поляков действие который определяет бозонный сектор теория 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 компактные размеры. (В теории струн Вселенная бывает 10- или 11-мерной, в зависимости от силы взаимодействий и кривизны пространства-времени.)

Гравитация

Струна - это геометрическое отклонение от Евклидова геометрия в пространстве-времени, характеризующемся угловым дефицитом: окружность вокруг струны будет иметь общий угол менее 360 °. От общая теория относительности такой геометрический дефект должен иметь растяжение 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.

тем не мение 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 материи в галактические сверхскопления. Теперь подсчитано, что их вклад в формирование структуры во Вселенной составляет менее 10%.

Космическая струна с отрицательной массой

Стандартная модель космической струны представляет собой геометрическую структуру с дефицитом угла, которая, таким образом, находится в напряжении и, следовательно, имеет положительную массу. В 1995 г. Visser и другие. предположил, что космические струны теоретически могут также существовать с чрезмерными углами и, следовательно, с отрицательным натяжением и, следовательно, отрицательная масса. Устойчивость таких экзотика струны проблематичны; однако они предположили, что если струна с отрицательной массой должна быть обернута вокруг червоточина в ранней Вселенной такая червоточина могла быть достаточно стабилизирована для существования в наши дни.[3][4]

Сверхкритическая космическая струна

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), то есть 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 надувания космических струн могут иметь значение в контексте бранная космология, где строка повышается до 3-брана (соответствующий нашей Вселенной) в шестимерном балке.

Наблюдательные свидетельства

Когда-то считалось, что гравитационное влияние космических струн может способствовать крупномасштабное скопление вещества во Вселенной, но все, что известно сегодня благодаря исследованиям галактик и точным измерениям космический микроволновый фон (CMB) соответствует эволюции из случайности, гауссовский 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%.

Сильные колебания космических струн обычно приводят к образованию куспиды и изгибы. Это, в свою очередь, приводит к тому, что части струны сгибаются в отдельные петли. Эти петли имеют конечный срок службы и распадаются (в основном) за счет гравитационное излучение. Это излучение, которое приводит к сильнейшему сигналу от космических струн, в свою очередь, может быть обнаружено в обсерватории 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 отрезком космической струны даст два идентичных неискаженных изображения галактики. В 2003 году группа во главе с Михаил Сажин сообщил о случайном открытии двух, казалось бы, идентичных галактик, расположенных очень близко друг к другу в небе, что привело к предположению, что была обнаружена космическая струна.[6] Однако наблюдения Космический телескоп Хаббла в январе 2005 г. показал, что это пара похожих галактик, а не два изображения одной и той же галактики.[7][8] Космическая струна создала бы подобное дублированное изображение колебаний в космический микроволновый фон, который, как предполагалось, мог быть обнаружен Planck Surveyor миссия.[9] Однако анализ данных миссии Planck в 2013 году не смог найти никаких доказательств существования космических струн.[10]

Свидетельством, подтверждающим теорию космических струн, является феномен, замеченный при наблюдениях за двойным квазар " называется Q0957 + 561A, B. Первоначально обнаружил Деннис Уолш, Боб Карсвелл и Рэй Вейманн в 1979 году двойное изображение этого квазара вызвано галактикой, расположенной между ним и Землей. В гравитационная линза Эффект этой промежуточной галактики искривляет свет квазара так, что он следует двумя путями разной длины к Земле. В результате мы видим два изображения одного и того же квазара, одно из которых появляется через короткое время (примерно 417,1 дня спустя). Однако команда астрономов на Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики во главе с Рудольф Шильд изучил 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 отсутствием обнаружения гравитационных волн Временная матрица Pulsar данные.[12] Земной Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и особенно космический детектор гравитационных волн Космическая антенна лазерного интерферометра (LISA) будет искать гравитационные волны и, вероятно, будет достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать сигналы от космических струн, при условии, что соответствующие натяжения космических струн не слишком малы.

Теория струн и космические струны

На заре развития теории струн и теоретики, и теоретики космических струн считали, что прямой связи между ними нет. суперструны и космические струны (названия были выбраны независимо по аналогии с обычная строка ). Возможность образования космических струн в ранней Вселенной была впервые представлена ​​теоретиками квантового поля. Том Киббл в 1976 г.[1] и это вызвало первую волну интереса к этой области. В 1985 году во время первая суперструнная революция, Эдвард Виттен предполагалось, 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 достигли макроскопических масштабов (в случае Суперструна типа I теории), они всегда были бы границами доменные стены чье натяжение заставило бы струны схлопнуться, а не вырасти до космических масштабов (в контексте гетеротическая суперструна теории), либо имеющий характерный масштаб энергии, близкий к Планковская энергия они будут произведены раньше космологическая инфляция и, следовательно, будут разбавлены расширением Вселенной и не будут наблюдаться.

С тех пор многое изменилось, в первую очередь из-за вторая суперструнная революция. 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 большие компактные размеры и большой факторы перекоса позволяет 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, Генри Тай и сотрудники предсказали образование космических суперструн на последних этапах инфляция браны,[13] построение теории струн ранней Вселенной, которое приводит к расширению Вселенной и космологической инфляции. Впоследствии это было реализовано теоретиком струн. Джозеф Полчински что расширяющаяся Вселенная могла растянуть «фундаментальную» струну (тот вид, который рассматривается в теории суперструн) до тех пор, пока она не достигла межгалактических размеров. Такая натянутая струна будет демонстрировать многие из свойств старой разновидности «космических» струн, что снова сделает старые вычисления полезными. Как теоретик Том Киббл отмечает: «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 по гравитационным волнам 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 будут наблюдаться космические струны, что является реальной возможностью для широкого диапазона космологических струнных моделей, это станет первым экспериментальным свидетельством модели теории струн, лежащей в основе структуры пространства-времени.

Сеть космических струн

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

Смотрите также

  • 0-мерный топологический дефект: магнитный монополь
  • 2-мерный топологический дефект: доменная стена (например, одномерный топологический дефект: космическая струна)
  • Петля космической струны, стабилизированная фермионным сверхтоком: Вортон

Рекомендации

  1. ^ а б Киббл, Том В. К. (1976). «Топология космических доменов и струн». Журнал физики A: математические и общие. 9 (8). Дои: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. Дои: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». Физический обзор D. 51 (6): 3117–3120. arXiv:astro-ph / 9409051. Bibcode:1995ФРВД..51.3117С. Дои:10.1103 / PhysRevD.51.3117. PMID  10018782. S2CID  42837620.
  4. ^ "В поисках метро к звездам"'" (Пресс-релиз). Архивировано из оригинал на 2012-04-15.
  5. ^ Нидерманн, Флориан; Шнайдер, Роберт (2015). «Радиально стабилизированные надувные космические струны». Phys. Ред. D. 91 (6): 064010. arXiv:1412.2750. Bibcode:2015ПхРвД..91ф4010Н. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.064010. S2CID  118411378.
  6. ^ Сажин, М .; Longo, G .; Capaccioli, M .; Alcala, J.M .; 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:2003МНРАС.343..353С. Дои:10.1046 / j.1365-8711.2003.06568.x. S2CID  18650564.
  7. ^ Агол, Эрик; Хоган, Крейг; Плоткин, Ричард (2006). «Визуализация Хаббла исключает линзу космической струны». Физический обзор D. 73 (8): 87302. arXiv:Astro-ph / 0603838. Bibcode:2006ПхРвД..73х7302А. Дои:10.1103 / PhysRevD.73.087302. S2CID  119450257.
  8. ^ Сажин, М. В .; Capaccioli, M .; Longo, G .; Паолильо, М .; Хованская, О. С .; Грогин, Н. А .; Schreier, E.J .; Ковоне, Г. (2006). «Истинная природа CSL-1». arXiv:Astro-ph / 0601494.
  9. ^ Fraisse, Aurélien; Рингеваль, Кристоф; Спергель, Дэвид; Буше, Франсуа (2008). «Малоугловая анизотропия температуры реликтового излучения, вызванная космическими струнами». Физический обзор D. 78 (4): 43535. arXiv:0708.1162. Bibcode:2008ПхРвД..78д3535Ф. Дои:10.1103 / PhysRevD.78.043535. S2CID  119145024.
  10. ^ Планковское сотрудничество; Ade, P.A.R .; Aghanim, N .; Armitage-Caplan, C .; Arnaud, M .; Ashdown, M .; Атрио-Барандела, Ф .; Aumont, J .; Baccigalupi, C .; Banday, A.J .; Barreiro, R. B .; Bartlett, J. G .; Bartolo, N .; Battaner, E .; Battye, R .; Benabed, K .; Benoît, A .; Бенуа-Леви, А .; Bernard, J. -P .; Bersanelli, M .; Bielewicz, P .; Bobin, J .; Bock, J. J .; Bonaldi, A .; Bonavera, L .; Bond, J. R .; Borrill, J .; Bouchet, F. R .; Мосты, М .; и другие. (2013). «Результаты Planck 2013. XXV. Поиски космических струн и других топологических дефектов». Астрономия и астрофизика. 571: A25. arXiv:1303.5085. Bibcode:2014A&A ... 571A..25P. Дои: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. Bibcode:2004A&A ... 422..477S. Дои: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. Дои:10.3847 / 0004-637X / 821/1/13. S2CID  34191834.
  13. ^ Саранги, Сасват; Тай, С.-Х. Генри (2002). «Производство космических струн к концу надувания браны». Письма по физике B. 536 (3–4): 185. arXiv:hep-th / 0204074. Bibcode:2002ФЛБ..536..185С. Дои: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:2013МНРАС.434.3597М. Дои:10.1093 / mnras / stt1284. ISSN  0035-8711. S2CID  53499674.
  15. ^ Вафаэй Садр, А; Movahed, S. M S; Фарханг, М. Рингеваль, С; Буше, ФР (14 декабря 2017 г.). «Многоуровневый конвейер для поиска струнно-индуцированной анизотропии реликтового излучения». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 475 (1): 1010–1022. arXiv:1710.00173. Bibcode:2018МНРАС.475.1010В. Дои:10.1093 / мнрас / stx3126. ISSN  0035-8711. S2CID  5825048.
  16. ^ Вафаэй Садр, А; Фарханг, М. Movahed, S. M S; 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:2018МНРАС.478.1132В. Дои:10.1093 / mnras / sty1055. ISSN  0035-8711. S2CID  53330913.

внешняя ссылка