Kosmický řetězec - Cosmic string

Nesmí být zaměňována s řetězcem v teorii strun .

Kosmické řetězce jsou hypotetické 1-rozměrné topologické vady , které se mohly vytvořit během symetrie-lámání fázový přechod v raném vesmíru, kdy topologie z vakuového nebyla potrubí spojené s tímto symetrické lámání jednoduše připojen . Očekává se, že na jeden svazek HST bude vytvořen alespoň jeden řetězec . Jejich existenci poprvé uvažoval teoretický fyzik Tom Kibble v 70. letech minulého století.

Tvorba kosmických strun je poněkud analogická s nedokonalostmi, které se tvoří mezi krystalovými zrny v tuhnoucích kapalinách, nebo s prasklinami, které se tvoří, když voda zmrzne na led. Fázové přechody vedoucí k produkci kosmických řetězců pravděpodobně nastaly během nejranějších okamžiků vývoje vesmíru, těsně po kosmologické inflaci , a jsou poměrně generickou předpovědí jak v kvantové teorii pole, tak v modelech teorie strun raného vesmíru .

Teorie obsahující kosmické řetězce

V teorii strun mohou roli kosmických řetězců hrát samotné základní řetězce (nebo F-struny), které definují teorii perturbativně , pomocí D-strun, které jsou s F-strunami spjaty slabě silnými nebo takzvanými S- dualita nebo vyšší dimenze D-, NS- nebo M-bran, které jsou částečně zabaleny do kompaktních cyklů spojených s extra časoprostorovými dimenzemi, takže zbývá pouze jedna nekompaktní dimenze.

Prototypickým příkladem kvantové teorie pole s kosmickými řetězci je Abelian Higgsův model . Očekává se, že kosmické řetězce kvantové teorie pole a teorie strun budou mít mnoho společných vlastností, ale k určení přesných rozlišovacích znaků je zapotřebí dalšího výzkumu. Například řetězce F jsou plně kvantově mechanické a nemají klasickou definici, zatímco s kosmickými řetězci teorie pole se téměř výhradně zachází klasicky.

Rozměry

Kosmické řetězce, pokud existují, by byly extrémně tenké s průměrem stejného řádu jako proton, tj. ~ 1 fm , nebo menší. Vzhledem k tomu, že toto měřítko je mnohem menší než jakékoli kosmologické měřítko, jsou tyto řetězce často studovány v aproximaci nulové šířky nebo Nambu-Goto. Za tohoto předpokladu se řetězce chovají jako jednorozměrné objekty a dodržují akci Nambu – Goto , která je klasicky ekvivalentní akci Polyakov, která definuje bosonický sektor teorie superstrun .

V teorii pole je šířka řetězce nastavena měřítkem fázového přechodu přerušení symetrie. V teorii strun je šířka řetězce nastavena (v nejjednodušších případech) základní stupnicí strun, warpovými faktory (souvisejícími s časoprostorovým zakřivením vnitřního šestidimenzionálního časoprostorového potrubí) a/nebo velikostí vnitřních kompaktních rozměrů . (V teorii strun je vesmír buď 10- nebo 11-dimenzionální, v závislosti na síle interakcí a zakřivení časoprostoru.)

Gravitace

Řetězec je geometrická odchylka od euklidovské geometrie v časoprostoru charakterizovaná úhlovým deficitem: kruh kolem vnější strany řetězce by obsahoval celkový úhel menší než 360 °. Z obecné teorie relativity musí být taková geometrická vada v napětí a projevuje se hmotou. Přestože jsou kosmické struny považovány za extrémně tenké, měly by obrovskou hustotu, a tak by představovaly významné zdroje gravitačních vln. Kosmický řetězec dlouhý asi kilometr může být hmotnější než Země.

Nicméně obecná teorie relativity předpovídá, že gravitační potenciál přímém řetězci zmizí: neexistuje žádná gravitační síla na statické obklopující záležitost. Jediným gravitačním účinkem přímého kosmického řetězce je relativní vychýlení hmoty (nebo světla) procházejícího řetězcem na opačných stranách (čistě topologický efekt). Uzavřená kosmická struna gravituje konvenčnějším způsobem.

Během expanze vesmíru by kosmické řetězce vytvářely síť smyček a v minulosti se předpokládalo, že jejich gravitace mohla za původní shlukování hmoty do galaktických superklastrů . Nyní se vypočítává, že jejich příspěvek k formování struktury ve vesmíru je menší než 10%.

Kosmický řetězec záporné hmotnosti

Standardní model kosmické struny je geometrická struktura s úhlovým deficitem, která je tedy v tahu, a proto má kladnou hmotnost. V roce 1995 Visser a kol. navrhl, aby kosmické struny teoreticky mohly existovat také s úhlovými excesy, a tedy záporným napětím a potažmo zápornou hmotou . Stabilita takových řetězců exotických látek je problematická; navrhli však, že pokud by měl být záporný masový řetězec omotán kolem červí díry v raném vesmíru, mohla by být taková červí díra dostatečně stabilizována, aby existovala v dnešní době.

Superkritický kosmický řetězec

Vnější geometrii (přímého) kosmického řetězce lze vizualizovat v diagramu vkládání následovně: Soustředí se na dvojrozměrný povrch kolmý na řetězec a jeho geometrie je kužel, který se získá vyříznutím klínu o úhlu δ a slepení okrajů. Úhlový deficit δ je lineárně úměrný napětí struny (= hmotnost na jednotku délky), tj. Čím větší je napětí, tím je kužel strmější. Proto δ dosáhne 2π pro určitou kritickou hodnotu napětí a kužel degeneruje do válce. (Při vizualizaci tohoto nastavení je třeba myslet na řetězec s konečnou tloušťkou.) Pro ještě větší „superkritické“ hodnoty δ překročí 2π a (dvojrozměrná) vnější geometrie se uzavře (stane se kompaktní) a skončí v kónické singularitě.

Tato statická geometrie je však v superkritickém případě nestabilní (na rozdíl od subkritických napětí): Malé odchylky vedou k dynamickému časoprostoru, který se v axiálním směru rozpíná konstantní rychlostí. 2D exteriér je stále kompaktní, ale lze se vyhnout kónické singularitě a vložený obrázek je jako rostoucí doutník. U ještě větších napětí (překročení kritické hodnoty přibližně o faktor 1,6) nelze řetězec již stabilizovat v radiálním směru.

Očekává se, že realistické kosmické řetězce budou mít napětí kolem 6 řádů pod kritickou hodnotou, a proto jsou vždy podkritické. Nafukovací řešení kosmických řetězců však může být relevantní v kontextu kosmologie brane , kde je řetězec povýšen na 3- brané (odpovídající našemu vesmíru) v šestidimenzionálním objemu.

Pozorovací důkazy

Kdysi se předpokládalo, že gravitační vliv kosmických řetězců může přispět k velkému shlukování hmoty ve vesmíru, ale vše, co je dnes známo prostřednictvím průzkumů galaxií a přesných měření kosmického mikrovlnného pozadí (CMB), odpovídá evoluci mimo náhodné, gaussovské výkyvy. Tato přesná pozorování mají proto tendenci vylučovat významnou roli kosmických strun a v současné době je známo, že příspěvek kosmických strun do CMB nemůže být větší než 10%.

Násilné oscilace kosmických strun genericky vedou ke vzniku hrbolků a zauzlení . Ty zase způsobují sevření částí řetězce do izolovaných smyček. Tyto smyčky mají konečnou životnost a rozpad (především) gravitačním zářením . Toto záření, které vede k nejsilnějšímu signálu z kosmických řetězců, může být zase detekovatelné v observatořích gravitačních vln . Důležitou otevřenou otázkou je, do jaké míry odštípnuté smyčky zpětně reagují nebo mění počáteční stav vyzařujícího kosmického řetězce - takové efekty zpětné reakce jsou při výpočtech téměř vždy opomíjeny a je známo, že jsou důležité, dokonce i pro řádové odhady.

Gravitační čočkování galaxie přímou částí kosmického řetězce by vytvořilo dva identické, nezkreslené obrazy galaxie. V roce 2003 skupina vedená Michailem Sazhinem oznámila náhodný objev dvou zdánlivě identických galaxií velmi blízko sebe na obloze, což vedlo ke spekulacím, že byl nalezen kosmický řetězec. Pozorování Hubbleovým vesmírným teleskopem v lednu 2005 však ukázala, že se jedná o dvojici podobných galaxií, nikoli o dva obrazy stejné galaxie. Kosmický řetězec by vytvořil podobný duplicitní obraz fluktuací na kosmickém mikrovlnném pozadí , o kterém se předpokládalo, že by jej mise Planck Surveyor mohla zjistit . Analýza dat z Planckovy mise z roku 2013 však nenašla žádný důkaz o vesmírných řetězcích.

Kus průkaznosti kosmický teorie strun je jev všiml pozorování „double kvasarem “ nazývané Q0957 +, 561, B . Původně objevili Dennis Walsh , Bob Carswell a Ray Weymann v roce 1979, dvojitý obraz tohoto kvasaru je způsoben galaxií umístěnou mezi ním a Zemí. Gravitační čočky účinek tohoto meziproduktu galaxie lomí světlo kvasaru tak, že z toho vyplývá, dvě cesty různých délek na Zemi. Výsledkem je, že vidíme dva obrazy stejného kvasaru, jeden přichází krátce po druhém (asi o 417,1 dne později). Tým astronomů z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics vedený Rudolphem Schildem však studoval kvazar a zjistil, že v období mezi zářím 1994 a červencem 1995 tyto dva obrázky zřejmě neměly žádné časové zpoždění; ke změnám jasu dvou snímků došlo současně při čtyřech různých příležitostech. Schild a jeho tým se domnívají, že jediným vysvětlením tohoto pozorování je, že mezi Zemí a kvazarem v tomto časovém období prošel vesmírný řetězec, který cestoval velmi vysokou rychlostí a kmital s periodou asi 100 dní.

V současné době nejcitlivější hranice parametrů kosmického řetězce pocházejí z nedetekce gravitačních vln pomocí dat Pulsarova časovacího pole . Pozemský laserový interferometr Gravitační vlnová observatoř (LIGO) a zejména vesmírný gravitační detektor laserového interferometru Space Antenna (LISA) bude vyhledávat gravitační vlny a je pravděpodobné, že bude dostatečně citlivý na detekci signálů z kosmických řetězců, za předpokladu příslušné kosmické napětí strun není příliš malé.

Teorie strun a kosmické řetězce

V počátcích teorie strun jak strunoví teoretici, tak kosmičtí teoretici strun věřili, že neexistuje žádné přímé spojení mezi superstrunami a kosmickými strunami (jména byla volena nezávisle analogicky s běžným řetězcem ). Možnost vzniku kosmických strun v raném vesmíru poprvé představil teoretik kvantového pole Tom Kibble v roce 1976 a z toho vzešel první příval zájmu v oboru. V roce 1985, během první superstrunové revoluce , Edward Witten uvažoval o možnosti vzniku základních superstrun v raném vesmíru a roztažených do makroskopických měřítek, v takovém případě (podle nomenklatury Toma Kibble) by pak byly označovány jako kosmické superstruny. Došel k závěru, že kdyby byly vyrobeny, buď by se rozpadly na menší řetězce, než by kdy dosáhly makroskopických měřítek (v případě teorie superstrun typu I ), vždy by vypadaly jako hranice doménových stěn, jejichž napětí by donutilo struny spíše se zhroutit rostou do kosmických měřítek (v kontextu teorie heterotických superstrun ) nebo s charakteristickou energetickou škálou blízkou Planckově energii by byly vytvořeny před kosmologickou inflací, a proto by byly rozpuštěny expanzí vesmíru a nebyly by pozorovatelné.

Od těchto počátků se mnohé změnilo, především kvůli druhé superstrunové revoluci . Nyní je známo, že teorie strun kromě základních řetězců, které definují teorii perturbativně, obsahuje také další jednorozměrné objekty, jako jsou řetězce D a objekty vyšší dimenze, jako jsou D-branes, NS-Branes a M-Branes částečně zabalené do kompaktních vnitřních časoprostorových dimenzí, přičemž je prostorově prodlouženo v jedné nekompaktní dimenzi. Možnost velkých kompaktních rozměrů a velkých warp faktorů umožňuje struny s napětím mnohem nižším, než je Planckova stupnice. Kromě toho různé duality, které byly objeveny, poukazují na závěr, že ve skutečnosti jsou všechny tyto zdánlivě odlišné typy řetězců jen stejným objektem, jaký se objevuje v různých oblastech prostoru parametrů. Tento nový vývoj do značné míry oživil zájem o kosmické řetězce, počínaje počátkem roku 2000.

V roce 2002 Henry Tye a spolupracovníci předpovídali produkci kosmických superstrun v posledních fázích inflace brane , konstrukce strunové teorie raného vesmíru, která vede k rozšiřujícímu se vesmíru a kosmologické inflaci. Teoretik řetězce Joseph Polchinski si následně uvědomil , že rozpínající se vesmír mohl natáhnout „základní“ strunu (druh, který teorie superstrun zvažuje), dokud nebude mít mezigalaktickou velikost. Takový natažený řetězec by vykazoval mnoho vlastností staré „kosmické“ odrůdy strun, čímž by starší výpočty byly opět užitečné. Jak poznamenává teoretik Tom Kibble , „kosmologové teorie strun objevili kosmické struny číhající všude v podrostu“. Starší návrhy na detekci kosmických strun by nyní mohly být použity k prozkoumání teorie superstrun.

Superstruny, D-struny nebo jiné výše uvedené strunné objekty natažené do mezigalaktických měřítek by vyzařovaly gravitační vlny, které by bylo možné detekovat pomocí experimentů jako LIGO a zejména experimentu gravitačních vln LISA založeného na vesmíru. Mohly by také způsobit mírné nepravidelnosti v kosmickém mikrovlnném pozadí, příliš jemné na to, aby byly dosud detekovány, ale možná v oblasti budoucí pozorovatelnosti.

Všimněte si však, že většina těchto návrhů závisí na příslušných kosmologických základech (řetězce, značky atd.) A dosud nebylo potvrzeno jejich přesvědčivé experimentální ověření. Kosmické řetězce nicméně poskytují okno do teorie strun. Pokud jsou pozorovány kosmické řetězce, což je reálná možnost pro širokou škálu kosmologických řetězcových modelů, poskytlo by to první experimentální důkaz modelu teorie strun, který je základem struktury časoprostoru.

Kosmická řetězcová síť

Existuje mnoho pokusů detekovat stopu sítě kosmických řetězců.

Viz také

Reference

externí odkazy