Espaguetis de l'univers

2009/10/01 Urrestilla, Jon - Fisikan doktorea eta Sussexeko Unibertsitateko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

Si una de les transicions de fase de l'univers fos equivalent a la conversió de l'aigua líquida en gel, l'estudi dels rierols atrapats en el gel permetria conèixer l'univers antic.

Dmitry Maslov/350RF

Les cordes còsmiques són errors topològics. Quan l'univers era molt jove, es van produir transicions de fase cosmològiques que podrien donar lloc a errors i que són les cordes còsmiques.

Intentem entendre-ho amb una analogia: suposem que una de les fases de transició de l'univers és una cosa equivalent a la conversió de l'aigua líquida en gel. Per tant, a altes temperatures tindríem aigua líquida i en baixar la temperatura l'aigua es convertiria en gel. Però és possible (segons la teoria que utilitzem) que dins del gel apareguin rierols d'aigua líquida. Si això ocorregués, els que vivim en una fase freda (gel), podrem observar com era la fase càlida observant aquests rierols. Aquests rierols són anàlegs als defectes, els fragments d'alta temperatura (rierols) que han romàs en la fase de baixa temperatura (gel).

Energies molt altes

Els errors que prediuen els models cosmològics d'alta energia tenen, en la majoria dels casos, forma de corda, és a dir, són objectes unidimensionals. A més, tenen unes propietats increïbles: encara que tenen una amplària molt de menor que la d'un àtom (potser l'amplària d'un protó), la longitud és mesura en anys llum (s'estenen al llarg de tot l'univers). La massa també és enorme: una corda d'un quilòmetre tindria la mateixa massa que la Terra! Pot ser d'ajuda tenir una imatge mental normal: les cordes còsmiques són similars a les d'espaguetis molt llarg, molt fi i de gran massa.

En cosmologia és molt difícil detectar errors i, d'alguna manera, només són coneguts en l'àmbit teòric. Però en altres àmbits de la física es produeixen errors. En la física de la matèria condensada, per exemple, apareixen defectes en cristalls líquids, materials ferromagnètics, superconductors, etc. Aquests errors poden ser analitzats en laboratori, la qual cosa permet una interessant relació entre matèria condensada i cosmologia. En qualsevol cas, encara que no s'hagin vist en cosmologia, és bastant lògic pensar que els errors poden estar en l'univers, ja que existeixen en altres àmbits de la física.

Les cordes còsmiques són possibles en moltes teories d'alta energia, inclosa la teoria de les supercuerdas (per tant, encara que amb conceptes totalment diferents, les supercuerdas i les cordes còsmiques tenen alguns enllaços). I, si apareguessin, apareixerien en una energia molt alta, molt superior a la que es pot obtenir en els acceleradors de partícules. Trobar cordes suposaria un gran avanç per a la física bàsica. Per a molts, les cordes còsmiques són una de les poques possibilitats de provar directament la teoria de les supercuerdas.

Representació de la creació i evolució de l'univers.

(Foto: WMAP (NASA)

Però, com hem dit, és molt difícil observar directament les cordes còsmiques. Imaginem que les cordes còsmiques es van formar en l'univers nounat. En aquella època l'univers semblava espaguetar un plat. Però a mesura que l'univers es refreda i creix, la densitat de corda va anar disminuint. Ara només uns pocs espaguetis estan en el nostre plat (el nostre univers observable). Estar prop de nosaltres és un fet molt poc probable. Per tant, en lloc de mesurar directament les cordes, haurem de mesurar els seus efectes indirectes, per exemple mitjançant l'efecte de les cordes sobre la radiació microones de fons (CMB) o mitjançant l'efecte de la lent gravitatòria.

Indicis indirectes

La lent gravitatòria és un fenomen conegut en l'astrofísica: si hi ha un objecte de gran massa entre una galàxia allunyada de nosaltres i nosaltres (per exemple, un conjunt de galàxies), la llum de la galàxia llunyana es deteriora com a conseqüència d'aquest objecte intermedi i la imatge es distorsiona. L'anàlisi de la distorsió permet deduir les propietats de l'objecte central amb massa. Així mateix, si existís una corda còsmica entre la galàxia remota i nosaltres, la imatge es distorsionaria, però la distorsió que produeixen les cordes i la provocada per qualsevol altra massa són diferents. En el cas de l'efecte normal de la lent gravitatòria (produït per objectes astrofísics d'alta massa, com a conjunts de galàxies), apareixeran nombroses imatges d'un sol objecte remot, generalment en forma d'anell o arc. En el cas de l'efecte de la lent gravitatòria que produiran les cordes, també es produiran múltiples imatges de l'objecte remot, però, al contrari que en l'altre cas, totes les imatges tindran el mateix aspecte, com si estiguessin repetides.

Això és el que van veure en observar l'objecte denominat CSL-1 (Capodimonte-Stenberg-Lens, 1r candidata): dues galàxies molt similars entre si. Per a explicar un objecte d'aquest tipus, només existeixen dues possibilitats: l'efecte de la lent gravitatòria produïda per una corda còsmica (per tant, dues imatges iguals d'una sola galàxia), o que dues galàxies amb propietats molt similars (tant en fotometria com en espectroscòpia) estiguin juntes (des del nostre punt de vista). Totes dues opcions són molt poc probables i per a conèixer la resposta real es van realitzar observacions més precises. Quan el Telescopi Hubble va observar el CSL-1, va observar que totes dues imatges no eren exactament iguals. No es tractava d'una corda, sinó de dues galàxies similars. L'equip que va trobar el CSL-1 continua buscant més objectes d'aquest tipus, esperant trobar una corda.

L'objecte CSL-1 era candidat a la corda còsmica. Quan van observar amb el telescopi Hubble (a dalt a la dreta) van veure que eren dues galàxies contigües, no l'efecte d'una corda còsmica.

(Foto: M. Sazhin et al.)

L'altra possibilitat que hem esmentat és la CMB, la radiació microones de fons. El CMB és molt homogeni, però té algunes anisotropies, alguns grànuls. Aquests grans, encara que petits, han estat mesurats en experiments cosmològics. Es coneix el paradigma que explica molt bé les anisotropies: la inflació. Segons la inflació, l'univers va créixer exponencialment a curt termini. Però també pot ser la formació de cordes còsmiques al final de la inflació. En moure les cordes per l'univers provocaran pertorbacions i atrauran la matèria. Aquestes pertorbacions formaran també anisotropies, a més d'anisotropies generades per la inflació. Si hi hagués cordes còsmiques, podríem mesurar aquestes pertorbacions "extra" generades en el CMB i detectar les cordes indirectament.

Les anisotropies de cmb que generarien les cordes còsmiques es poden simular mitjançant supercomputadors i comparar-les amb les anisotropies de temperatura de CMB mesures per experiments cosmològics. Prenguem les millors dades cosmològiques disponibles, com els aportats per WMAP. Utilitzant models d'inflació, intentem ajustar les dades tan bé com sigui possible. Ara, tenint en compte també les pertorbacions extres generades per les cordes, també ajustarem les dades. Mitjançant aquesta anàlisi, els experiments numèrics ens diuen que si tenim en compte les cordes còsmiques podem explicar millor les dades. No podem dir amb certesa que hem trobat cordes. A més, amb altres dades cosmològiques (a més del CMB) no és tan evident l'existència de cordes. Necessitem dades noves i més precisos. Potser ens ajuda el satèl·lit Planck que va enlairar al maig. Planck mesurarà el CMB amb gran precisió, tant l'anisotropia de temperatura com l'anisotropia de polarització. Altres experiments també realitzaran nous mesuraments.

Satèl·lit Planck. Les dades que recaptarà poden ajudar a confirmar la teoria de les cordes còsmiques.

AQUESTA

Però en qualsevol cas, amb les dades actuals, podem afirmar que les dades no diuen que no hi hagi cordes. I la simple detecció de cordes és molt important. Si les noves dades deixen clar que les cordes no es van formar, haurem de descartar alguns models cosmològics i, potser, crear nous models. D'altra banda, si podem observar les cordes, veurem les relíquies de l'univers nounat, una oportunitat única per a veure com era l'univers nounat.

Cordes còsmiques i supercuerdas

En principi, aquests dos objectes no tenen cap relació, sinó el nom. Ambdues són "entenimentades", ja que ambdues són unidimensionals, però són objectes totalment diferents.

Les supercuerdas són part d'una teoria. Per a descriure la física d'alta energia tenim un model estàndard, i la teoria és realment reeixida. No obstant això, no sabem unificar el model estàndard amb la teoria de la gravetat, o bé, utilitzant altres paraules: no disposem de la teoria quàntica de la gravetat. Doncs bé, la teoria de les supercuerdas és la que té més ben futur per a aconseguir aquesta "teoria de tot".

En el model estàndard les partícules són puntuals, per exemple, si imaginem l'electró és una espècie de boleta "". En la teoria de les supercuerdas, per contra, els components bàsics són objectes unidimensionals, no objectes puntuals. Aquestes són les supercuerdas i, com a components de la gravetat quàntica, són molt petites (~10 -33 cm). Les partícules normals conegudes (electró, etc.) serien les vibracions d'aquestes supercuerdas.

Hi ha diverses teories de supercuerdas; la teoria de supercuerdas no és l'única. Però totes les teories necessiten dimensions extres per a ser matemàticament sòlides; les nostres 3+1 dimensions diàries (3 dimensions espacials + temps) no són suficients. Segons el model, necessiten 10 o 26 dimensions.

A l'esquerra, representació de supercuerdas. A la dreta, cordes còsmiques. En el nom tenen la major relació, ja que són objectes totalment diferents.

(Foto: Jean Fran ois Colonna/N. Bevis)

Les cordes còsmiques, en canvi, no són elements bàsics de la teoria, sinó les conseqüències de les transicions de fase que es produeixen en les teories dels camps. Diverses teories físiques prediuen transicions de fase i les cordes còsmiques són errors topològics que es formen en les transicions de fase cosmològiques. Els errors poden tenir diverses dimensions: les dimensions 0 es denominen monopols; les unidimensionals, entenimentada; les bidimensionals, paret de domini.

Com hem dit, les cordes còsmiques no són estructures bàsiques, sinó que estan formades per una cosa bàsica. En general, com apareixen en les teories dels camps, estaran configurades per àmbits. Per exemple, podem imaginar una corda còsmica "convencional" com un tub que porta camp magnètic. En general, les cordes còsmiques són molt llargues i les nostres dimensions 3+1 són suficients per a elles, ja que apareixen en teories zonals "normals".

Utilitzant l'analogia aquàtica del text, les cordes còsmiques serien els rius d'aigua que van quedar en el gel; les línies d'aigua líquida. Les supercuerdas serien els components que formen l'aigua, i els àtoms d'aigua, tant en gel com en aigua líquida, serien les vibracions de les supercuerdas bàsiques. És a dir, les estructures bàsiques que formen el nostre univers aquàtic (els àtoms d'aigua) són supercuerdas; els errors que genera aquest univers en passar del líquid al gel (els rius d'aigua líquida atrapats en el gel) són entenimentades còsmiques.

No obstant això, la situació és una mica més complicada. Si la teoria de les supercuerdas és la "teoria de tot", podem utilitzar-la per a explicar la cosmologia. Perquè si amb supercuerdas expliquem la cosmologia, veurem que es produeixen transicions de fase. I en aquestes transicions és possible que apareguin objectes llargs unidimensionals. Per tant, les cordes còsmiques no sols sorgeixen en les teories dels camps, sinó que també poden aparèixer en les teories de les supercuerdas: tenim supercuerdas còsmiques!

Als físics ens agradaria comprovar si la teoria dels supercuerdas és la veritable teoria que apareix en la naturalesa, però no és fàcil (encara que sapiguem que les cordes còsmiques es poden observar a través del CMB). Imaginem, no obstant això, que mitjançant experiments cosmològics trobem cordes còsmiques. Imaginem també que sabem exactament que les pertorbacions provocades per les cordes còsmiques "normals" i les supercuerdas còsmiques són diferents i sabem diferenciar-les. Llavors, per primera vegada estaríem estudiant directament la teoria dels supercuerdas. Això és imaginar molt i encara hem de fer molta feina, tant teòricament com experimentalment. Però realment pot ser una oportunitat perfecta per a poder veure més de prop la "teoria de tot".