Космическая струна
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Май 2021 г. ) |
Космические струны — это гипотетические одномерные топологические дефекты , которые могли образоваться во время нарушающего симметрию, фазового перехода в ранней Вселенной, когда топология вакуумного , многообразия, связанная с этим нарушением симметрии, не была просто связной . Их существование было впервые предположено физиком-теоретиком Томом Кибблом в 1970-х годах. [1]
Формирование космических струн в некоторой степени аналогично дефектам, которые образуются между кристаллическими зернами в затвердевающих жидкостях, или трещинам, образующимся при замерзании воды в лед. Фазовые переходы, ведущие 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 теории струн в моделях ранней Вселенной .
содержащие космические струны , Теории
Прототипическим примером 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 для определения точных отличительных особенностей необходимы дополнительные исследования. Например, F-струны полностью квантовомеханичны и не имеют классического определения, тогда как космические струны теории поля почти исключительно рассматриваются классически.
В теории суперструн роль космических струн могут играть сами фундаментальные струны (или F-струны), определяющие теорию пертурбативно , D-струны, которые связаны с F-струнами слабо-сильными или так называемыми S-струнами. двойственность более высокой размерности , или D-, NS- или M-браны , которые частично обернуты компактными циклами, связанными с дополнительными измерениями пространства-времени, так что остается только одно некомпактное измерение. [2]
Размеры [ править ]
Космические струны, если бы они существовали, были бы чрезвычайно тонкими и имели бы диаметр того же порядка, что и диаметр 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 приближении Намбу – Гото. При 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 размеров . (В теории струн Вселенная либо 10-, либо 11-мерная, в зависимости от силы взаимодействий и кривизны пространства-времени.)
Гравитация [ править ]
 | Это раздел нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( сентябрь 2016 г. ) |
Струна — это геометрическое отклонение от евклидовой геометрии в пространстве-времени, характеризующееся дефицитом углов: окружность вокруг струны будет иметь общий угол менее 360°. [3] Согласно общей теории относительности, такой геометрический дефект должен находиться в напряжении и проявляться массой. Хотя космические струны считаются чрезвычайно тонкими, они обладают огромной плотностью и поэтому представляют собой важные источники гравитационных волн. Космическая струна длиной около километра может оказаться массивнее Земли.
Однако общая теория относительности предсказывает, что гравитационный потенциал прямой струны исчезает: на статическую окружающую материю не действует гравитационная сила. Единственный гравитационный эффект прямой космической струны — это относительное отклонение материи (или света), проходящей через струну по противоположным сторонам (чисто топологический эффект). Замкнутая космическая струна тяготеет более традиционным способом. [ нужны разъяснения ]
Во время расширения Вселенной космические струны образовывали сеть петель, и в прошлом считалось, что их гравитация могла быть ответственной за первоначальное скопление материи в галактические сверхскопления . Сейчас подсчитано, что их вклад в структурообразование Вселенной составляет менее 10%.
Космическая массы отрицательной струна
Стандартная модель космической струны представляет собой геометрическую структуру с дефицитом угла, которая, таким образом, находится в натяжении и, следовательно, имеет положительную массу. В 1995 году Виссер и др. предположил, что космические струны теоретически также могут существовать с избытком угла и, следовательно, с отрицательным напряжением и, следовательно, с отрицательной массой . Стабильность таких струн экзотической материи проблематична; однако они предположили, что если бы струна с отрицательной массой была обернута вокруг червоточины в ранней Вселенной, такая червоточина могла бы быть достаточно стабилизирована, чтобы существовать в наши дни. [4] [5]
Сверхкритическая струна космическая
| Это раздел нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( сентябрь 2016 г. ) |
Внешнюю геометрию (прямой) космической струны можно визуализировать на диаграмме вложения следующим образом: если сосредоточить внимание на двумерной поверхности, перпендикулярной струне, ее геометрия представляет собой геометрию конуса, полученного путем вырезания клина под углом δ. и склеиваем края. Угловой дефицит δ линейно связан с натяжением струны (= масса на единицу длины), т. е. чем больше натяжение, тем круче конус. Поэтому δ достигает 2π при некотором критическом значении натяжения и конус вырождается в цилиндр. (При визуализации этой установки нужно думать о струне конечной толщины.) Для еще больших, «сверхкритических» значений δ превышает 2π, и (двумерная) внешняя геометрия смыкается (становится компактной), заканчивая 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. Двумерная внешность по-прежнему компактна, но конической сингулярности можно избежать, а изображением встраивания является растущая сигара. При еще больших натяжениях (превышающих критическое значение примерно в 1,6 раза) струна уже не может стабилизироваться в радиальном направлении. [6]
Ожидается, что реалистичные космические струны будут иметь натяжение примерно на 6 порядков ниже критического значения и, следовательно, всегда будут докритическими. Однако решения, основанные на раздувании космических струн, могут быть актуальны в контексте бранной космологии , где струна превращается в 3- брану (соответствующую нашей Вселенной) в шестимерном пространстве.
Наблюдательные данные [ править ]
Когда-то считалось, что гравитационное влияние космических струн может способствовать крупномасштабному скоплению материи во Вселенной, но все, что известно сегодня благодаря исследованиям галактик и прецизионным измерениям космического микроволнового фона (CMB), соответствует эволюции, выходящей из случайные, гауссовы колебания. Таким образом, эти точные наблюдения склонны исключать значительную роль космических струн, и в настоящее время известно, что вклад космических струн в реликтовое излучение не может превышать 10%.
Сильные колебания космических струн обычно приводят к образованию выступов и перегибов . Это, в свою очередь, приводит к тому, что части струны разрываются на изолированные петли. Эти петли имеют ограниченный срок службы и распадаются (в основном) под действием гравитационного излучения . Это излучение, которое приводит к сильнейшему сигналу космических струн, в свою очередь, может быть обнаружено в обсерваториях гравитационных волн . Важный открытый вопрос заключается в том, в какой степени защемленные петли реагируют обратно или изменяют начальное состояние излучающей космической струны - такими эффектами обратной реакции почти всегда пренебрегают в вычислениях и, как известно, они важны даже для оценок порядка величины.
Гравитационное линзирование галактики прямым участком космической струны позволило бы получить два идентичных неискаженных изображения галактики. В 2003 году группа под руководством Михаила Сажина сообщила об случайном открытии двух, казалось бы, идентичных галактик, расположенных очень близко друг к другу в небе, что привело к предположению, что была обнаружена космическая струна. [7] Однако наблюдения космического телескопа «Хаббл» в январе 2005 года показали, что это пара похожих галактик, а не два изображения одной и той же галактики. [8] [9] Космическая струна могла бы создать аналогичное дублированное изображение колебаний космического микроволнового фона , которое, как считалось, могло быть обнаружено миссией Planck Surveyor . [10] Однако анализ данных миссии «Планк» в 2013 году не обнаружил никаких доказательств существования космических струн. [11]
Свидетельством в пользу теории космических струн является явление, замеченное при наблюдениях «двойного квазара » под названием Q0957+561A,B . Первоначально обнаруженный Деннисом Уолшем , Бобом Карсуэллом и Рэем Вейманом 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 некоторое время после другого (примерно через 417,1 дня). Однако группа астрономов Гарвард -Смитсоновского центра астрофизики под руководством Рудольфа Шильда изучила квазар и обнаружила, что в период с сентября 1994 года по июль 1995 года эти два изображения, по-видимому, не имели временной задержки; изменения яркости двух изображений происходили одновременно в четырех отдельных случаях. Шилд и его команда считают, что единственным объяснением этого наблюдения является то, что в этот период времени между Землей и квазаром прошла космическая струна, движущаяся с очень высокой скоростью и колеблющаяся с периодом около 100 дней. [12]
В настоящее время наиболее чувствительные границы параметров космических струн связаны с тем, что гравитационные волны не обнаруживаются данными временного массива пульсаров . [13] Наземная лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и особенно космический детектор гравитационных волн Лазерный интерферометр «Космическая антенна» (LISA) будут искать гравитационные волны и, вероятно, будут достаточно чувствительными для обнаружения сигналов космических струн, при условии соответствующих космических исследований. натяжение струн не слишком маленькое.
струн и струны Теория космические
| Это раздел нуждается в дополнительных ссылок для проверки . ( сентябрь 2016 г. ) |
На заре теории струн и теоретики струн, и теоретики космических струн считали, что не существует 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 предположена теоретиком квантового 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 Виттен размышлял о возможности того, что фундаментальные суперструны были созданы в ранней Вселенной и растянуты до макроскопических масштабов, и в этом случае (следуя номенклатуре Тома Киббла) их тогда можно было бы назвать космическими. суперструны. [14] Он пришел к выводу, что, если бы они были созданы, они либо распались бы на более мелкие струны, прежде чем когда-либо достигли макроскопических масштабов (в случае теории суперструн типа I ), либо они всегда выглядели бы как границы доменных стенок , натяжение которых заставило бы струны схлопываться, а не вырастая до космических масштабов (в контексте гетеротической теории суперструн ) или имея характерный энергетический масштаб, близкий к энергии Планка, они были бы произведены до космологической инфляции и, следовательно, растворились бы с расширением Вселенной и не были бы наблюдаемыми.
Многое изменилось с тех пор, в первую очередь благодаря второй суперструнной революции . Сейчас известно, что теория струн, помимо фундаментальных струн, которые определяют теорию пертурбативно, содержит другие одномерные объекты, такие как D-струны, и объекты более высокой размерности, такие как D-браны, NS-браны и M-браны. браны частично упакованы в компактные внутренние измерения пространства-времени, но при этом пространственно расширены в одном некомпактном измерении. Возможность больших компактных размеров и больших коэффициентов деформации позволяет использовать струны с натяжением, намного меньшим, чем масштаб Планка.
Более того, различные обнаруженные двойственности указывают на то, что на самом деле все эти, казалось бы, разные типы струн представляют собой один и тот же объект, каким он 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 Тай и его коллеги предсказали образование космических суперструн на последних стадиях инфляции бран . [15] конструкция ранней Вселенной, построенная на основе теории струн, которая приводит к расширению Вселенной и космологической инфляции. понял, Впоследствии теоретик струн Джозеф Полчински что расширяющаяся Вселенная могла растянуть «фундаментальную» струну (тот тип, который рассматривает теория суперструн), пока она не достигла межгалактического размера. Такая натянутая струна будет обладать многими свойствами старой разновидности «космических» струн, что снова сделает старые расчеты полезными. Как отмечает теоретик Том Киббл , «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 и другие упомянутые выше струнные объекты, 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 нарушения космического микроволнового фона, слишком тонкие, чтобы их можно было обнаружить, но, возможно, находящиеся в пределах будущей возможности наблюдения.
Обратите внимание, что большинство этих предложений, однако, зависят от соответствующих космологических основ (струн, бран и т. д.), и до сих пор не было подтверждено их убедительное экспериментальное подтверждение. Тем не менее космические струны открывают окно в теорию струн. Если будут наблюдаться космические струны, что является реальной возможностью для широкого спектра моделей космологических струн, это предоставит первое экспериментальное свидетельство того, что модель теории струн лежит в основе структуры пространства-времени.
Сеть космических струн [ править ]
Существует множество попыток обнаружить следы сети космических струн. [16] [17] [18]
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 ]
- ^ Перейти обратно: а б Киббл, Том В.К. (1976). «Топология космических доменов и струн». Журнал физики A: Математический и общий . 9 (8): 1387–1398. Бибкод : 1976JPhA....9.1387K . дои : 10.1088/0305-4470/9/8/029 .
- ^ Коупленд, Эдмунд Дж; Майерс, Роберт С; Полчински, Джозеф (2004). «Космические фа- и ре-струны». Журнал физики высоких энергий . 2004 (6): 013. arXiv : hep-th/0312067 . Бибкод : 2004JHEP...06..013C . дои : 10.1088/1126-6708/2004/06/013 . S2CID 140465 .
- ^ Готт, Дж. Ричард (1991). «Замкнутые времениподобные кривые, создаваемые парами движущихся космических струн: точные решения». Физ. Преподобный Летт . 66 (9): 1126. Бибкод : 1991PhRvL..66.1126G . дои : 10.1103/PhysRevLett.66.1126 . ПМИД 10044002 .
- ^ Крамер, Джон; Нападающий, Роберт; Моррис, Майкл; Виссер, Мэтт; Бенфорд, Грегори; Лэндис, Джеффри (1995). «Естественные червоточины как гравитационные линзы». Физический обзор D . 51 (6): 3117–3120. arXiv : astro-ph/9409051 . Бибкод : 1995PhRvD..51.3117C . дои : 10.1103/PhysRevD.51.3117 . ПМИД 10018782 . S2CID 42837620 .
- ^ «В поисках «Метро к звездам» » (Пресс-релиз). Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 г.
- ^ Нидерманн, Флориан; Шнайдер, Роберт (2015). «Радиально стабилизированные надувающиеся космические струны». Физ. Преподобный Д. 91 (6): 064010. arXiv : 1412.2750 . Бибкод : 2015PhRvD..91f4010N . дои : 10.1103/PhysRevD.91.064010 . S2CID 118411378 .
- ^ Сажин, М.; Лонго, Г.; Капаччоли, М.; Алькала, Дж. М.; Сильвотти, Р.; Ковон, Г.; Хованская О.; Павлов М.; Паннелла, М.; и другие. (2003). «CSL-1: Эффект случайной проекции или случайное открытие гравитационной линзы, вызванной космической струной?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph/0302547 . Бибкод : 2003MNRAS.343..353S . дои : 10.1046/j.1365-8711.2003.06568.x . S2CID 18650564 .
- ^ Агол, Эрик; Хоган, Крейг; Плоткин, Ричард (2006). «Изображения Хаббла исключают линзу космических струн». Физический обзор D . 73 (8): 87302. arXiv : astro-ph/0603838 . Бибкод : 2006PhRvD..73h7302A . дои : 10.1103/PhysRevD.73.087302 . S2CID 119450257 .
- ^ Сажин, М.В.; Капаччоли, М.; Лонго, Г.; Паолильо, М.; Хованская, О.С.; Грогин, Н.А.; Шрайер, Э.Дж.; Ковон, Г. (2006). «Истинная природа CSL-1». arXiv : astro-ph/0601494 .
- ^ Фрайсс, Орельен; Рингеваль, Кристоф; Спергель, Дэвид; Буше, Франсуа (2008). «Малоугловая температурная анизотропия реликтового излучения, вызванная космическими струнами». Физический обзор D . 78 (4): 43535. arXiv : 0708.1162 . Бибкод : 2008PhRvD..78d3535F . дои : 10.1103/PhysRevD.78.043535 . S2CID 119145024 .
- ^ Планк Сотрудничество; Аде, Пенсильвания; Аганим, Н. ; Армитидж-Каплан, К.; Арно, М.; Эшдаун, М.; Атрио-Барандела, Ф.; Омон, Дж.; Бачигалупи, К.; Бандей, Эй Джей; Баррейро, РБ; Бартлетт, Дж.Г.; Бартоло, Н.; Баттанер, Э.; Бэтти, Р.; Бенабед, К.; Бенуа, А.; Бенуа-Леви, А.; Бернар, Ж.-П.; Берсанелли, М.; Белевич, П.; Бобин, Дж.; Бок, Джей-Джей; Бональди, А.; Бонавера, Л.; Бонд-младший; Боррилл, Дж.; Буше, Франция; Бриджес, М.; и другие. (2013). «Результаты Планка 2013. XXV. Поиски космических струн и других топологических дефектов». Астрономия и астрофизика . 571 : А25. arXiv : 1303.5085 . Бибкод : 2014A&A...571A..25P . дои : 10.1051/0004-6361/201321621 . S2CID 15347782 .
- ^ Шильд, Р.; Масняк И.С.; Гнатык, Б.И.; Жданов, В.И. (2004). «Аномальные колебания в наблюдениях Q0957+561 A,B: дымящийся пистолет космической струны?». Астрономия и астрофизика . 422 (2): 477–482. arXiv : astro-ph/0406434 . Бибкод : 2004A&A...422..477S . дои : 10.1051/0004-6361:20040274 . S2CID 16939392 .
- ^ 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, Жозеф; Левин, Лина; Ломмен, Андреа; Лоример, Дункан; Ло, Джин; Линч, Райан; Мэдисон, Дастин; Маклафлин, Маура; Маквильямс, Шон; и другие. (2015). «Набор данных NANOGrav за девять лет: пределы изотропного стохастического фона гравитационных волн» . Астрофизический журнал . 821 (1): 13. arXiv : 1508.03024 . Бибкод : 2016ApJ...821...13A . дои : 10.3847/0004-637X/821/1/13 . S2CID 34191834 .
- ^ Виттен, Эдвард (1985). «Космические суперструны». Физ. Летт. Б. 153 (4–5): 243–246. Бибкод : 1985PhLB..153..243W . дои : 10.1016/0370-2693(85)90540-4 .
- ^ Саранги, Сасват; Тай, С.-Х.Генри (2002). «Производство космических струн к концу инфляции бран». Буквы по физике Б. 536 (3–4): 185. arXiv : hep-th/0204074 . Бибкод : 2002PhLB..536..185S . дои : 10.1016/S0370-2693(02)01824-5 . S2CID 14274241 .
- ^ Мовахед, М. Садег; Джаванмарди, Б.; Шет, Рави К. (1 октября 2013 г.). «Пик-пиковые корреляции космического фонового излучения космических струн» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 434 (4): 3597–3605. arXiv : 1212.0964 . Бибкод : 2013MNRAS.434.3597M . дои : 10.1093/mnras/stt1284 . ISSN 0035-8711 . S2CID 53499674 .
- ^ Вафаи Садр, А; Мовахед, СМС; Фарханг, М; Рингеваль, К; Буше, Франция (14 декабря 2017 г.). «Многомасштабный конвейер для поиска анизотропии реликтового излучения, вызванной струнами». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 475 (1): 1010–1022. arXiv : 1710.00173 . Бибкод : 2018МНРАС.475.1010В . дои : 10.1093/mnras/stx3126 . ISSN 0035-8711 . S2CID 5825048 .
- ^ Вафаи Садр, А; Фарханг, М; Мовахед, СМС; Бассетт, Б; Кунц, М (01 мая 2018 г.). «Обнаружение космических струн с помощью машинного обучения на основе деревьев». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 478 (1): 1132–1140. arXiv : 1801.04140 . Бибкод : 2018MNRAS.478.1132V . дои : 10.1093/mnras/sty1055 . ISSN 0035-8711 . S2CID 53330913 .
Внешние ссылки [ править ]
- Художественный взгляд на космические струны
- Моделирование космической струны
- http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cs_interact.html
- Сажин, М.; Лонго, Г.; Капаччоли, М.; Алькала, Дж. М.; Сильвотти, Р.; Ковон, Г.; Хованская О.; Павлов М.; Паннелла, М.; и другие. (2003). «CSL-1: Эффект случайной проекции или случайное открытие гравитационной линзы, вызванной космической струной?». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph/0302547 . Бибкод : 2003MNRAS.343..353S . дои : 10.1046/j.1365-8711.2003.06568.x . S2CID 18650564 .
- Шильд, Р.; Масняк И.С.; Гнатык, Б.И.; Жданов, В.И. (2004). «Аномальные колебания в наблюдениях Q0957+561 A,B: дымящийся пистолет космической струны?». Астрономия и астрофизика . 422 (2): 477–482. arXiv : astro-ph/0406434 . Бибкод : 2004A&A...422..477S . дои : 10.1051/0004-6361:20040274 . S2CID 16939392 .
- Киббл, TWB (2004). «Космические струны возрождаются?». arXiv : astro-ph/0410073 .
- Ло, Эми С.; Райт, Эдвард Л. (2005). «Признаки космических струн на космическом микроволновом фоне». arXiv : astro-ph/0503120 .
- Сажин, М.; Капаччоли, М.; Лонго, Г.; Паолильо, М.; Хованская, О. (2006). «Дальнейшие спектроскопические наблюдения объекта CSL 1». Астрофизический журнал . 636 (1): L5–L8. arXiv : astro-ph/0506400 . Бибкод : 2006ApJ...636L...5S . дои : 10.1086/499429 . S2CID 10176938 .
- Агол, Эрик; Хоган, Крейг; Плоткин, Ричард (2006). «Изображения Хаббла исключают линзу космических струн». Физический обзор D . 73 (8): 87302. arXiv : astro-ph/0603838 . Бибкод : 2006PhRvD..73h7302A . дои : 10.1103/PhysRevD.73.087302 . S2CID 119450257 .
- Доктор Кип Торн , ITP и Калифорнийский технологический институт. Искажения пространства-времени и квант: взгляд в будущее. Слайды лекций и аудио
- Космические струны и суперструны на arxiv.org
