Кіріспе
Ерте ғаламның болжамды ерекшелігі. Космикалық жіптер – бұл гипотетикалық 1 өлшемді топологиялық ақаулар, олар ерте ғаламда симметрия бұзылу фазалық өту кезінде пайда болған болуы мүмкін, бұл симметрия бұзылуға байланысты вакуумдық кеңістіктің топологиясы қарапайым түрде байланысқан емес. Олардың болу мүмкіндігі алғаш рет 1970 жылдары теориялық физик Том Киббл тарапынан қарастырылды. Космикалық жіптердің пайда болуы, қатты денелердегі кристалл түйіршіктері арасындағы қателерге немесе су мұзға айналғанда пайда болатын жарықтарға ұқсас. Космикалық жіптердің пайда болуына себеп болатын фазалық өтулер ғаламның эволюциясының ең басында, космологиялық инфляциядан кейін жүрген болуы мүмкін және бұл кванттық өріс теориясы мен ерте ғаламның жіптік теориясы модельдеріндегі кең таралған болжам.
Cosmic strings are hypothetical 1 dimensional topological defects which may have formed during a symmetry breaking phase transition in the early universe when the topology of the vacuum manifold associated to this symmetry breaking was not simply connected. Their existence was first contemplated by the theoretical physicist Tom Kibble in the 1970s. The formation of cosmic strings is somewhat analogous to the imperfections that form between crystal grains in solidifying liquids, or the cracks that form when water freezes into ice. The phase transitions leading to the production of cosmic strings are likely to have occurred during the earliest moments of the universe's evolution, just after cosmological inflation, and are a fairly generic prediction in both quantum field theory and string theory models of the early universe.
Космикалық тізбектік теориялар
Космикалық жіптермен өріс теориясының прототиптік мысалы – Абелдік Хиггс моделі. Кванттық өріс теориясы мен жіп теориясының ғарыштық жіптерінің көптеген қасиеттері ортақ болуы күтілуде, бірақ нақты айырмашылықтарын анықтау үшін қосымша зерттеулер қажет. Мысалы, F жіптері толыққанды кванттық-механикалық және классикалық анықтамасы жоқ, ал өріс теориясының ғарыштық жіптері көбінесе классикалық тұрғысынан қарастырылады. Супержіп теориясында ғарыштық жіптердің рөлін теорияны бұзғыш түрде анықтайтын фундаменталды жіптер (немесе F жіптері) ойнауы мүмкін, F жіптеріне әлсіз күшті немесе S-дуальдығы деп аталатын D жіптері арқылы байланыс орнатуға болады, сондай-ақ қосымша кеңістік-уақыт өлшемдерімен байланысты ықшам циклдарға жартылай оралған жоғары өлшемді D, NS немесе M брандары да осы рөлді атқарады, нәтижесінде тек бір ықшам емес өлшем қалады.
Өлшемі
Космикалық жіптер, егер олар болса, диаметрі протон диаметрімен шамалас, яғни ~ 1 фм немесе одан да кіші болады. Бұл масштаб кез келген космологиялық масштабтан әлдеқайда кішкентай болғандықтан, бұл жіптер көбінесе нөлдік енділік немесе Намбу-Гото жуықтауында зерттеледі. Осы болжам бойынша, жіптер бір өлшемді объектілер ретінде мінез-құлық танытады және Намбу-Гото әрекетіне бағынады, ол классикалық түрде суперсап теориясының бозондық секторын анықтайтын Поляков әрекетімен тең. Өріс теориясында жіптің ені симметрия бұзу фазалық өтуінің масштабымен анықталады. Сап теориясында жіптің ені (ең қарапайым жағдайларда) негізгі сап масштабымен, қисаю факторларымен (ішкі алты өлшемді кеңістік-уақыттың қисықтығымен байланысты) және/немесе ішкі ықшамдалған өлшемдердің өлшемімен анықталады. (Сап теориясында ғалам өзара әрекеттесу күшіне және кеңістік-уақыт қисықтығына байланысты 10 немесе 11 өлшемді болады.)
Гравитация
Сызық – кеңістік-уақытта бұрыштық тапшылықпен сипатталатын Евклид геометриясынан геометриялық ауытқу: сызықтың сыртындағы шеңбердің жалпы бұрышы 360°-тан кем болады. Жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес, мұндай геометриялық кемшілік кернеуде болуы керек және масса арқылы көрінеді. Космикалық жіптер өте жұқа болса да, олардың тығыздығы зор, сондықтан олар күшті гравитациялық толқындардың көзі болып табылады. Шамамен бір километрлік ғарыштық жіптің массасы Жерден де артық болуы мүмкін. Дегенмен, жалпы салыстырмалылық теориясы тура жіптің гравитациялық потенциалы нөлге тең болатынын болжайды: айналасындағы тұрақты материяға гравитациялық күш әсер етпейді. Тұрақты ғарыштық жіптің жалғыз гравитациялық әсері – жіптің қарама-қарсы жақтарынан өтетін материяның (немесе жарықтың) салыстырмалы бұрылуы (таза топологиялық эффект). Жабық ғарыштық жіп дәстүрлі түрде гравитациялық тартымға ие. Әлемнің кеңеюі кезінде ғарыштық жіптер орамалар желісін құрайды, ал бұрын олардың гравитациясы материяның галактикалық суперкластерлерге бірігуіне себеп болуы мүмкін деп есептелген. Қазіргі есептеулерге сәйкес, олардың әлемдегі құрылымның қалыптасуына үлесі 10%-дан кем.
Теріс массалы ғарыш жіп
Космикалық тізбектің стандартты моделі бұрыштық тапшылығы бар геометриялық құрылым болып табылады, сондықтан ол кернеуге түседі және оң массаға ие. 1995 жылы Visser және авторлар теориялық тұрғыдан ғаламдық тізбектер бұрыштық артықшылығымен, демек, теріс кернеумен және теріс массамен де болуы мүмкін екенін ұсынды. Мұндай экзотикалық материя тізбектерінің тұрақтылығы күмәнді; алайда, олар теріс массалы тізбек ерте ғаламдағы құрт тесігінің айналасына оралған жағдайда, онда мұндай құрт тесігі қазіргі күнге дейін сақталуы үшін жеткілікті тұрақты болуы мүмкін деп болжады.
Суперкритикалық ғарыштық тізбек
(Тікелей) ғарыш жібінің сыртқы геометриясын кіріктіру диаграммасында былай көруге болады: жіпке перпендикуляр екі өлшемді бетке назар салғанда, оның геометриясы δ бұрышымен қиылып, жиектері біріктірілген конус геометриясынан тұрады. Бұрыштық тапшылық δ жіптің кернеуімен ( = ұзындығы бірлігіне шамасы) сызықты түрде байланысты, яғни кернеу неғұрлым жоғары болса, конус тағайын да тік болады. Сондықтан δ кернеудің белгілі бір сынды мәніне 2π-ге жетеді, ал конус цилиндрге айналады. (Бұл көріністі елестету үшін шекті қалыңдығы бар жіпті ойлау қажет.) Одан да үлкен, "суперкритикалық" мәндер үшін δ 2π-тен асып кетеді және (екі өлшемді) сыртқы геометрия жабылады (тығыз болады), конустық сингулярлыққа соқтырады. Дегенмен, бұл статикалық геометрия суперкритикалық жағдайда тұрақсыз (субкритикалық кернеулерден өзгеше): кішкентай бұзылулар осьтік бағытта тұрақты жылдамдықпен кеңейетін динамикалық кеңістік-уақытқа алып келеді. 2D сыртқы түрі әлі де тығыз, бірақ конустық сингулярлықтан қашуға болады, ал кіріктіру суреті өсіп келе жатқан сигар тәрізді. Одан да үлкен кернеулер үшін (сынды мәннен шамамен 1,6 есе жоғары) жіп радиалды бағытта тұрақтандырыла алмайды. Нақты ғарыш жіптерінің кернеуі сынды мәннен шамамен 6 рет төмен болуы күтіледі, сондықтан олар әрқашан субкритикалық болып табылады. Алайда, кеңейіп жатқан ғарыш жіптерінің шешімдері брандық космология контекстінде маңызды болуы мүмкін, онда жіп алты өлшемді кеңістікте 3 бранға (біздің ғаламға сәйкес) көтеріледі.
Байқаулық деректері
Бір кездері ғарыздық жіптердің гравитациялық әсері ғаламдағы материяның ірі масштабты жиналуына әсер етуі мүмкін деп есептелген, бірақ бүгінгі күні галактикаларды зерттеу және ғарыздық микротолқындық фонды (ҒМТ) жоғары дәлдікпен өлшеу нәтижесінде, барлығы кездейсоқ, гаусс есімдік флуктуациялардың эволюциясына сәйкес келеді. Осылайша, осы нақты байқаулар ғарыздық жіптердің маңызды рөлін жоққа шығарады және қазіргі таңда ғарыздық жіптердің ҒМТ-ға тигізетін үлесі 10%-дан аспайтыны белгілі. Ғарыздық жіптердің күшті тербелістері әдетте шұңқырлар мен иілімдердің пайда болуына алып келеді. Бұлар жіптің бөліктерінің оқшауланған тізбектерге ажырауына себеп болады. Бұл тізбектердің өмір сүру мерзімі шектеулі және (негізінен) гравитациялық сәулелену арқылы ыдырайды. Ғарыздық жіптерден күшті сигнал тудыратын бұл сәулелену гравитациялық толқын обсерваторияларында анықталуы мүмкін. Маңызды ашық сұрақ – ажыраған тізбектердің бастапқы күйге кері әсері қаншалықты болады, яғни шығаратын ғарыздық жіптің бастапқы күйін өзгертеді. Мұндай кері әсерлер есептеулерде көбінесе ескерілмейді, бірақ олардың тіпті шамаларды бағалау үшін де маңызды екені белгілі. Галактиканы ғарыздық жіптің түзу бөлігі арқылы гравитациялық линзалау екі бірдей, бұрмаланбаған бейнесін тудырады. 2003 жылы Михаил Сажин басқарыған топ аспанда бір-біріне өте жақын орналасқан екі бірдей галактиканы кездейсоқ түрде тапты, бұл ғарыздық жіптің табылуы мүмкін деген болжамдарға әкелді. Алайда, 2005 жылғы қаңтарда Хаббл ғарыш телескопының бақылаулары олардың бір галактиканың екі бейнесі емес, бір-біріне ұқсас екі галактика екенін көрсетті. Ғарыздық жіп ғарыздық микротолқындық фондағы флуктуациялардың ұқсас көшірме бейнесін тудыруы мүмкін, оны Планк Surveyor миссиясы анықтауы мүмкін деп есептелген. Алайда, 2013 жылы Планк миссиясының деректерін талдау ғарыздық жіптердің кез келген белгісін таба алмады. Ғарыздық жіптер теориясын қолдайтын бір дәлел – Q0957+561A,B деп аталатын "қос квазарда" байқалған құбылыс. 1979 жылы Деннис Уолш, Боб Карсвелл және Рей Вейманн бұл квазардың қос бейнесін ашты, олардың арасында Жер мен квазардың арасында орналасқан галактиканың әсерінен пайда болды. Бұл аралық галактиканың гравитациялық линза әсері квазардың жарығын екі әртүрлі жолмен Жерге бұрады. Нәтижесінде біз бір квазардың екі бейнесін көреміз, бірі екіншісінен кейін аз уақыт өткен соң (шамамен 417,1 күннен кейін) келеді. Алайда, Рудольф Шильд басқарыған Гарвард-Смитсонов астрофизикалық орталығының астрономдар тобы квазарды зерттеді және 1994 жылдың қыркүйегінен 1995 жылдың шілдесіне дейінгі кезеңде екі бейнеде уақыт кешігуі болмағанын анықтады; екі бейненің жарықтығы төрт рет бірдей уақытта өзгерді. Шильд және оның командасы бұл байқаудың жалғыз түсіндірмесі – сол уақыт аралығында Жер мен квазардың арасынан өте жоғары жылдамдықпен өтіп, шамамен 100 күндік кезеңмен тербелген ғарыздық жіп болды. Қазіргі уақытта ғарыздық жіптердің параметрлеріне қатысты ең сезімтал шектеулер пульсарлық уақыт массивінің деректерінен гравитациялық толқындарды анықтамаудан туындайды. Жердегі лазерлік интерферометрлік гравитациялық толқын обсерваториясы (LIGO) және әсіресе ғарышқа орналасқан лазерлік интерферометрлік ғарыш антеннасы (LISA) гравитациялық толқындарды іздейді және ғарыздық жіптердің шиеленістері тым аз болмаса, ғарыздық жіптерден сигналдарды анықтау үшін жеткілікті сезімтал болуы мүмкін.
Сызық теориясы және ғаламдық сымдар
Сызық теориясының алғашқы кезеңдерінде, сым теоретиктері де, ғарыштық сым теоретиктері де, суперсымдар мен ғарыштық сымдар арасында тікелей байланыс жоқ деп ойлады (атаулар қарапайым сыммен салыстыру арқылы тәуелсіз таңдалды). Ғарыштық сымдардың ерте ғаламда пайда болу мүмкіндігін алғаш рет 1976 жылы кванттық өріс теоретигі Том Киббл қарастырды. Ол, егер олар пайда болған болса, макроскопиялық өлшемдерге жетпей тұрып, кіші сымдарға ыдырайтын немесе (I типтегі суперсым теориясы бойынша) домендік қабырғалардың шекаралары ретінде пайда болып, олардың кернеуі сымдарды ғарыштық өлшемдерге дейін өсірудің орнына құлдырауға мәжбүрлейтін (гетерозиялық суперсым теориясы бойынша) немесе Планк энергиясына жақын ерекше энергия деңгейіне ие болғандықтан, космологиялық инфляциядан бұрын пайда болып, ғаламның кеңеюімен бірге сұйылып, байқауға келмейтін еді. Осы алғашқы күндерден бері көп өзгерді, негізінен екінші суперсым революциясының арқасында. Қазіргі кезде, теорияны бұзғыш түрде анықтайтын негізгі сымдардан басқа, D сымдары сияқты басқа бірөлшемді нысандар мен D, NS және M браналары сияқты жоғары өлшемді нысандар бар екені белгілі болды. Олар ішкі кеңістіктегі уақыт өлшемдеріне жартылай оралған, бірақ бір тығыз емес өлшемде кеңейтілген. Үлкен тығыз өлшемдер мен үлкен бұрылу факторларының болуы Планк деңгейінен әлдеқайда төмен кернеулі сымдарға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ашылған әртүрлі дуалдықтар барлық осы көріне әртүрлі сым түрлерінің параметрлік кеңістіктің әртүрлі аймақтарында пайда болатын бірдей нысан екенін көрсетеді. Бұл жаңа жетістіктер ғарыштық сымдарға деген қызығушылықты қайта жандандырды, бұл 2000-шы жылдардың басында басталды. 2002 жылы Генри Тай және оның әріптестері браналық инфляцияның соңғы кезеңдерінде ғарыштық суперсымдардың пайда болуын болжады, бұл ғаламның кеңейіп, космологиялық инфляцияға әкелетін ерте ғаламның сым теориясы. Кейіннен, сым теоретигі Джозеф Полчински, кеңейіп жатқан Ғалам "негізгі" сымды (суперсым теориясы қарастыратын түр) галактикааралық өлшемге дейін созуға мүмкін екенін түсінді. Мұндай созылған сым ескі "ғарыштық" сымдардың көптеген қасиеттерін көрсетеді, бұл ескі есептеулерді қайтадан пайдалы етеді. Теоретик Том Кибблдің айтуынша, "сым теориясы бойынша ғаламтанушылар ғарыштық сымдарды барлық жерде жасырын табады". Ғарыштық сымдарды анықтаудың бұрынғы ұсыныстарын енді суперсым теориясын зерттеу үшін пайдалануға болады. Суперсымдар, D сымдары немесе жоғарыда аталған басқа сым тәрізді нысандар галактикааралық өлшемге созылған жағдайда, гравитациялық толқындарды шығаруы мүмкін, оларды LIGO сияқты эксперименттер және әсіресе ғарышқа негізделген гравитациялық толқын эксперименті LISA арқылы анықтауға болады. Олар сондай-ақ ғарыштық микротолқындық фонның шағын бұзылыстарын тудыруы мүмкін, олар әлі анықталмаған, бірақ болашақта байқауға мүмкіншілігі бар. Дегенмен, осы ұсыныстардың көпшілігі тиісті космологиялық негіздерге (сымдар, браналар және т.б.) байланысты екенін ескеру керек, және осы уақытқа дейін олардың экспериментальды растауы жоқ. Дегенмен, ғарыштық сымдар сым теориясына терезе ашады. Егер ғарыштық сымдар байқалса, бұл кең спектрлі космологиялық сым модельдері үшін нақты мүмкіндік болып табылады, бұл кеңістік-уақыт құрылымына негізделген сым теориясы моделінің алғашқы экспериментальды дәлелін береді.
Космикалық желілер желісі
Космикалық жіптер желісінің іздерін анықтауға көптеген әрекеттер жасалған.