Espaguetis do universo

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

• Astrofisika

Si una das transicións de fase do universo fose equivalente á conversión da auga líquida en xeo, o estudo dos regatos atrapados no xeo permitiría coñecer o universo antigo.

Dmitry Maslov/350RF

As cordas cósmicas son erros topológicos. Cando o universo era moi novo, producíronse transicións de fase cosmológicas que poderían dar lugar a erros e que son as cordas cósmicas.

Tentemos entendelo cunha analogía: supoñamos que una das fases de transición do universo é algo equivalente á conversión da auga líquida en xeo. Por tanto, a altas temperaturas teriamos auga líquida e ao baixar a temperatura a auga converteríase en xeo. Pero é posible (segundo a teoría que utilizamos) que dentro do xeo aparezan arroios de auga líquida. Se isto ocorrese, os que vivimos nunha fase fría (xeo), poderemos observar como era a fase cálida observando eses regatos. Estes arroios son análogos aos defectos, os fragmentos de alta temperatura (arroios) que permaneceron na fase de baixa temperatura (xeo).

Enerxías moi altas

Os erros que predín os modelos cosmológicos de alta enerxía teñen, na maioría dos casos, forma de corda, é dicir, son obxectos unidimensionales. Ademais, teñen unhas propiedades incribles: aínda que teñen una anchura moito menor que a dun átomo (quizais a anchura dun protón), a lonxitude é medida en anos luz (esténdense ao longo de todo o universo). A masa tamén é enorme: una corda dun quilómetro tería a mesma masa que a Terra! Pode ser de axuda ter una imaxe mental normal: as cordas cósmicas son similares ás de espaguetis moi longo, moi fino e de gran masa.

En cosmología é moi difícil detectar erros e, dalgunha maneira, só son coñecidos no ámbito teórico. Pero noutros ámbitos da física prodúcense erros. Na física da materia condensada, por exemplo, aparecen defectos en cristais líquidos, materiais ferromagnéticos, superconductores, etc. Estes erros poden ser analizados en laboratorio, o que permite una interesante relación entre materia condensada e cosmología. En calquera caso, aínda que non se viron en cosmología, é bastante lóxico pensar que os erros poden estar no universo, xa que existen noutros ámbitos da física.

As cordas cósmicas son posibles en moitas teorías de alta enerxía, incluída a teoría das supercuerdas (por tanto, aínda que con conceptos totalmente diferentes, as supercuerdas e as cordas cósmicas teñen algúns enlaces). E, se aparecesen, aparecerían nunha enerxía moi alta, moi superior á que se pode obter nos aceleradores de partículas. Atopar cordas suporía un gran avance paira a física básica. Paira moitos, as cordas cósmicas son una das poucas posibilidades de probar directamente a teoría das supercuerdas.

Representación da creación e evolución do universo.

(Foto: WMAP (NASA)

Pero, como dixemos, é moi difícil observar directamente as cordas cósmicas. Imaxinemos que as cordas cósmicas formáronse no universo recentemente nado. Naquela época o universo parecía espaguetar un prato. Pero a medida que o universo se arrefría e crece, a densidade de corda foi diminuíndo. Agora só uns poucos espaguetis están no noso prato (o noso universo observable). Estar preto de nós é un feito moi pouco probable. Por tanto, en lugar de medir directamente as cordas, deberemos medir os seus efectos indirectos, por exemplo mediante o efecto das cordas sobre a radiación microondas de fondo (CMB) ou mediante o efecto da lente gravitatoria.

Indicios indirectos

A lente gravitatoria é un fenómeno coñecido na astrofísica: se hai un obxecto de gran masa entre unha galaxia afastada de nós e nós (por exemplo, un conxunto de galaxias), a luz da galaxia afastada deteriórase como consecuencia dese obxecto intermedio e a imaxe se distorsiona. A análise da distorsión permite deducir as propiedades do obxecto central con masa. Así mesmo, se existise una corda cósmica entre a galaxia remota e nós, a imaxe se distorsionaría, pero a distorsión que producen as cordas e a provocada por calquera outra masa son diferentes. No caso do efecto normal da lente gravitatoria (producido por obxectos astrofísicos de alta masa, como conxuntos de galaxias), aparecerán numerosas imaxes dun só obxecto remoto, xeralmente en forma de anel ou arco. No caso do efecto da lente gravitatoria que producirán as cordas, tamén se producirán múltiples imaxes do obxecto remoto, pero, ao contrario que no outro caso, todas as imaxes terán o mesmo aspecto, coma se estivesen repetidas.

Isto é o que viron ao observar o obxecto denominado CSL-1 (Capodimonte-Stenberg-Lens, 1º candidata): dúas galaxias moi similares entre si. Paira explicar un obxecto deste tipo, só existen dúas posibilidades: o efecto da lente gravitatoria producida por unha corda cósmica (por tanto, dúas imaxes iguais dunha soa galaxia), ou que dúas galaxias con propiedades moi similares (tanto en fotometría como en espectroscopia) estean xuntas (desde o noso punto de vista). Ambas as opcións son moi pouco probables e paira coñecer a resposta real realizáronse observacións máis precisas. Cando o Telescopio Hubble observou o CSL-1, observou que ambas as imaxes non eran exactamente iguais. Non se trataba dunha corda, senón de dúas galaxias similares. O equipo que atopou o CSL-1 segue buscando máis obxectos deste tipo, esperando atopar una corda.

O obxecto CSL-1 era candidato á corda cósmica. Cando observaron co telescopio Hubble (arriba á dereita) viron que eran dúas galaxias contiguas, non o efecto dunha corda cósmica.

(Foto: M. Sazhin et ao.)

A outra posibilidade que mencionamos é a CMB, a radiación microondas de fondo. O CMB é moi homoxéneo, pero ten algunhas anisotropías, algúns gránulos. Estes grans, aínda que pequenos, foron medidos en experimentos cosmológicos. Coñécese a paradigma que explica moi ben as anisotropías: a inflación. Segundo a inflación, o universo creceu exponencialmente a curto prazo. Pero tamén pode ser a formación de cordas cósmicas ao final da inflación. Ao mover as cordas polo universo provocarán perturbacións e atraerán a materia. Estas perturbacións formarán tamén anisotropías, ademais de anisotropías xeradas pola inflación. Se houbese cordas cósmicas, poderiamos medir estas perturbacións "extra" xeradas no CMB e detectar as cordas indirectamente.

As anisotropías de cmb que xerarían as cordas cósmicas pódense simular mediante supercomputadores e comparalas coas anisotropías de temperatura de CMB medidas por experimentos cosmológicos. Tomemos os mellores datos cosmológicos dispoñibles, como os achegados por WMAP. Utilizando modelos de inflación, tentemos axustar os datos o mellor posible. Agora, tendo en conta tamén as perturbacións extras xeradas polas cordas, tamén axustaremos os datos. Mediante esta análise, os experimentos numéricos dinnos que si temos en conta as cordas cósmicas podemos explicar mellor os datos. Non podemos dicir con certeza que atopamos cordas. Ademais, con outros datos cosmológicos (ademais do CMB) non é tan evidente a existencia de cordas. Necesitamos datos novos e máis precisos. Quizais nos axude o satélite Planck que despegou en maio. Planck medirá o CMB con gran precisión, tanto a anisotropía de temperatura como a anisotropía de polarización. Outros experimentos tamén realizarán novas medicións.

Satélite Planck. Os datos que solicitará poden axudar a confirmar a teoría das cordas cósmicas.

ESA

Pero en calquera caso, cos datos actuais, podemos afirmar que os datos non din que non haxa cordas. E a simple detección de cordas é moi importante. Se os novos datos deixan claro que as cordas non se formaron, teremos que descartar algúns modelos cosmológicos e, quizais, crear novos modelos. Doutra banda, se podemos observar as cordas, veremos as reliquias do universo recentemente nado, una oportunidade única paira ver como era o universo recentemente nado.

Cordas cósmicas e supercuerdas

En principio, estes dous obxectos non teñen ningunha relación, senón o nome. Ambas son cordas", xa que ambas son unidimensionales, pero son obxectos totalmente diferentes.

As supercuerdas son parte dunha teoría. Paira describir a física de alta enerxía temos un modelo estándar, e a teoría é realmente exitosa. Con todo, non sabemos unificar o modelo estándar coa teoría da gravidade, ou ben, utilizando outras palabras: non dispomos da teoría cuántica da gravidade. Pois ben, a teoría das supercuerdas é a que ten mellor futuro paira conseguir esa teoría "de todo".

No modelo estándar as partículas son puntuais, por exemplo, se imaxinamos o electrón é una especie de "bolita". Na teoría das supercuerdas, pola contra, os compoñentes básicos son obxectos unidimensionales, non obxectos puntuais. Estas son as supercuerdas e, como compoñentes da gravidade cuántica, son moi pequenas (~10 -33 cm). As partículas normais coñecidas (electrón, etc.) serían as vibracións destas supercuerdas.

Hai varias teorías de supercuerdas; a teoría de supercuerdas non é a única. Pero todas as teorías necesitan dimensións extras paira ser matematicamente sólidas; as nosas 3+1 dimensións diarias (3 dimensións espaciais + tempo) non son suficientes. Segundo o modelo, necesitan 10 ou 26 dimensións.

Á esquerda, representación de supercuerdas. Á dereita, cordas cósmicas. No nome teñen a maior relación, xa que son obxectos totalmente diferentes.

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

As cordas cósmicas, en cambio, non son elementos básicos da teoría, senón as consecuencias das transicións de fase que se producen nas teorías dos campos. Diversas teorías físicas predín transicións de fase e as cordas cósmicas son erros topológicos que se forman nas transicións de fase cosmológicas. Os erros poden ter varias dimensións: as dimensións 0 denomínanse monopolos; as unidimensionales, corda; as bidimensionales, parede de dominio.

Como dixemos, as cordas cósmicas non son estruturas básicas, senón que están formadas por algo básico. En xeral, como aparecen nas teorías dos campos, estarán configuradas por ámbitos. Por exemplo, podemos imaxinar una corda cósmica "convencional" como un tubo que leva campo magnético. En xeral, as cordas cósmicas son moi longas e as nosas dimensións 3+1 son suficientes paira elas, xa que aparecen en teorías zonais "normais".

Utilizando a analogía acuática do texto, as cordas cósmicas serían os ríos de auga que quedaron no xeo; as liñas de auga líquida. As supercuerdas serían os compoñentes que forman a auga, e os átomos de auga, tanto en xeo como en auga líquida, serían as vibracións das supercuerdas básicas. É dicir, as estruturas básicas que forman o noso universo acuático (os átomos de auga) son supercuerdas; os erros que xera este universo ao pasar do líquido ao xeo (os ríos de auga líquida atrapados no xeo) son cordas cósmicas.

Con todo, a situación é algo máis complicada. Se a teoría das supercuerdas é a "teoría de todo", podemos utilizala paira explicar a cosmología. Pois si con supercuerdas explicamos a cosmología, veremos que se producen transicións de fase. E nestas transicións é posible que aparezan obxectos longos unidimensionales. Por tanto, as cordas cósmicas non só xorden nas teorías dos campos, senón que tamén poden aparecer nas teorías das supercuerdas: temos supercuerdas cósmicas!

Aos físicos gustaríanos comprobar se a teoría dos supercuerdas é a verdadeira teoría que aparece na natureza, pero non é fácil (aínda que saibamos que as cordas cósmicas pódense observar a través do CMB). Imaxinemos, con todo, que mediante experimentos cosmológicos atopamos cordas cósmicas. Imaxinemos tamén que sabemos exactamente que as perturbacións provocadas polas cordas cósmicas "normais" e as supercuerdas cósmicas son diferentes e sabemos diferencialas. Entón, por primeira vez estariamos a estudar directamente a teoría dos supercuerdas. Iso é imaxinar moito e aínda temos que facer moito traballo, tanto teoricamente como experimentalmente. Pero realmente pode ser una oportunidade perfecta paira poder ver máis de cerca a "teoría de todo".