Введение

Спекулятивная особенность ранней Вселенной. Космические струны – это гипотетические одномерные топологические дефекты, которые могли образоваться во время фазового перехода, связанного с нарушением симметрии, в ранней Вселенной, когда топология вакуумного многообразия, соответствующего этому нарушению симметрии, не была тривиальной. Впервые возможность их существования рассмотрел физик-теоретик Том Киббл в 1970-х годах. Образование космических струн аналогично дефектам, возникающим между кристаллическими зернами при затвердевании жидкостей, или трещинам, образующимся при замерзании воды в лед. Фазовые переходы, приводящие к образованию космических струн, вероятно, произошли в самые ранние моменты эволюции Вселенной, сразу после космологической инфляции, и являются достаточно общим предсказанием как в квантовой теории поля, так и в моделях теории струн ранней Вселенной.

Теории, содержащие космические струны

Прототипичным примером теории поля с космическими струнами является модель Абеля — Хиггса. Ожидается, что космические струны, рассматриваемые в рамках квантовой теории поля и теории струн, обладают многими общими свойствами, однако для определения точных различий требуются дальнейшие исследования. Например, F-струны являются полностью квантово-механическими и не имеют классического определения, в то время как космические струны в теории поля почти исключительно изучаются в классическом приближении. В теории суперструн роль космических струн могут играть сами фундаментальные струны (или F-струны), которые определяют теорию в рамках теории возмущений, D-струны, связанные с F-струнами слабой сильной или так называемой S-дуальностью, или более высокомерные D-, NS- или M-браны, частично обернутые на компактные циклы, ассоциированные с дополнительными пространственно-временными измерениями, так что остается только одно некомпактное измерение.

Размеры

Космические струны, если они существуют, были бы чрезвычайно тонкими, с диаметрами того же порядка величины, что и у протона, то есть ~ 1 фм или меньше. Поскольку этот масштаб значительно меньше любого космологического масштаба, эти струны часто изучаются в приближении нулевой ширины, или приближении Намбу–Гото. В этом приближении 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 определяется масштабом фазового перехода, нарушающего симметрию. В теории струн ширина струн задается (в простейших случаях) фундаментальным масштабом струн, факторами варпа (связанными с кривизной пространства-времени внутреннего шестимерного многообразия) и/или размером внутренних компактифицированных измерений. (В теории струн Вселенная либо десятимерна, либо одиннадцатимерна, в зависимости от силы взаимодействия и кривизны пространства-времени.)

Гравитация

Струна — это геометрическое отклонение от евклидовой геометрии в пространстве-времени, характеризующееся угловым дефицитом: окружность, проведённая вокруг струны, будет составлять угол менее 360°. Согласно общей теории относительности, такой геометрический дефект должен находиться в состоянии натяжения и проявляться как масса. Даже несмотря на то, что космические струны считаются чрезвычайно тонкими, они обладают огромной плотностью и, следовательно, являются значительными источниками гравитационных волн. Космическая струна длиной около километра может быть массивнее Земли. Однако общая теория относительности предсказывает, что гравитационный потенциал прямой струны равен нулю: статическая окружающая материя не испытывает гравитационного воздействия. Единственным гравитационным эффектом прямой космической струны является относительное отклонение материи (или света), проходящей с противоположных сторон (чисто топологический эффект). Замкнутая космическая струна гравитирует более привычным образом. В процессе расширения Вселенной космические струны формируют сеть петель, и ранее считалось, что их гравитация могла быть ответственна за первоначальное сгущение материи в галактические сверхскопления. В настоящее время установлено, что их вклад в формирование структуры Вселенной составляет менее 10%.

Отрицательная масса космической струны

Стандартная модель космической струны представляет собой геометрическую структуру с дефицитом угла, что обуславливает её натяжение и, следовательно, положительную массу. В 1995 году Виссер и др. предположили, что космические струны теоретически могут существовать и с избытком угла, а значит, с отрицательным натяжением и, следовательно, отрицательной массой. Стабильность таких экзотических струн является проблематичной; однако они предположили, что если бы струна с отрицательной массой была обвита вокруг червоточины в ранней Вселенной, это могло бы стабилизировать червоточину настолько, чтобы она сохранилась до наших дней.

Суперкритическая космическая струна

Внешнюю геометрию (прямой) космической струны можно визуализировать на диаграмме вложения следующим образом: рассматривая двумерную поверхность, перпендикулярную струне, ее геометрия представляет собой конус, который получается вырезанием клина с углом δ и склеиванием краев. Угловой дефицит δ линейно связан с напряжением струны (= масса на единицу длины), то есть чем больше напряжение, тем более крутым является конус. Следовательно, δ достигает 2π при определенном критическом значении напряжения, и конус вырождается в цилиндр. (При визуализации этой конфигурации следует представлять струну с конечной толщиной.) Для еще больших, "сверхкритических" значений, δ превышает 2π, и (двухмерная) внешняя геометрия замыкается (становится компактной), приводя к конической сингулярности. Однако эта статическая геометрия нестабильна в сверхкритическом случае (в отличие от субкритических напряжений): малые возмущения приводят к динамическому пространству-времени, которое расширяется в осевом направлении с постоянной скоростью. Двумерная внешняя геометрия остается компактной, но конической сингулярности можно избежать, и диаграмма вложения представляет собой растущую сигару. Для еще больших напряжений (превышающих критическое значение примерно в 1,6 раза) струна больше не может быть стабилизирована в радиальном направлении. Ожидается, что реалистичные космические струны будут иметь напряжения примерно на 6 порядков величины ниже критического значения и, следовательно, всегда будут субкритическими. Тем не менее, решения для раздувающихся космических струн могут быть актуальны в контексте бранной космологии, где струна рассматривается как 3-брана (соответствующая нашей Вселенной) в шестимерном пространстве.

Наблюдательные данные

Когда-то считалось, что гравитационное влияние космических струн может способствовать крупномасштабному сгущению материи во Вселенной, но все, что известно сегодня благодаря обзорам галактик и прецизионным измерениям космического микроволнового фона (CMB), соответствует эволюции из случайных гауссовских флуктуаций. Эти точные наблюдения, следовательно, склоняются к исключению значительной роли космических струн, и в настоящее время известно, что вклад космических струн в CMB не может превышать 10%. Интенсивные колебания космических струн обычно приводят к образованию куспидов и изгибов. Это, в свою очередь, вызывает отрыв частей струны в изолированные петли. Эти петли имеют конечный срок жизни и распадаются (преимущественно) посредством гравитационного излучения. Это излучение, которое является источником наиболее сильного сигнала от космических струн, потенциально может быть обнаружено в гравитационно-волновых обсерваториях. Важным нерешенным вопросом является то, в какой степени оторванные петли оказывают обратное воздействие или изменяют начальное состояние излучающей космической струны — такие эффекты обратной связи почти всегда игнорируются в расчетах и, как известно, важны даже для оценок порядка величины. Гравитационное линзирование галактики прямой секцией космической струны создаст два идентичных, неискаженных изображения галактики. В 2003 году группа под руководством Михаила Сажина сообщила о случайном обнаружении двух, казалось бы, идентичных галактик, расположенных очень близко друг к другу на небе, что привело к предположению об обнаружении космической струны. Однако наблюдения космического телескопа Хаббл в январе 2005 года показали, что это пара похожих галактик, а не два изображения одной и той же галактики. Космическая струна произведет аналогичное дублированное изображение флуктуаций в космическом микроволновом фоне, которое, как предполагалось, могло быть обнаружено миссией Planck Surveyor. Однако анализ данных миссии Планка в 2013 году не выявил никаких свидетельств существования космических струн. Одним из свидетельств в поддержку теории космических струн является явление, замеченное при наблюдениях за "двойным квазаром" Q0957+561A,B. Первоначально обнаруженный Деннисом Уолшем, Бобом Карсвеллом 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 таким образом, что он проходит двумя путями разной длины к Земле. В результате мы видим два изображения одного и того же квазара, прибывающие друг за другом с небольшой задержкой (примерно через 417,1 дня). Однако команда астрономов из Гарвардского-Смитсоновского центра астрофизики под руководством Рудольфа Шильда изучила квазар и обнаружила, что в период с сентября 1994 года по июль 1995 года два изображения, по-видимому, не имели временной задержки; изменения яркости двух изображений происходили одновременно в четырех отдельных случаях. Шильд и его команда полагают, что единственным объяснением этого наблюдения является то, что космическая струна прошла между Землей и квазаром в течение этого периода времени, двигаясь с очень высокой скоростью и колеблясь с периодом около 100 дней. В настоящее время наиболее строгие ограничения на параметры космических струн получены из-за необнаружения гравитационных волн по данным массивов синхронизации пульсаров. Наземная лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и, особенно, космический детектор гравитационных волн Лазерный интерферометр космической антенны (LISA) будут искать гравитационные волны и, вероятно, будут достаточно чувствительны для обнаружения сигналов от космических струн, при условии, что соответствующие напряжения космических струн не слишком малы.

Теория струн и космические струны

В ранние годы развития теории струн как теоретики струн, так и теоретики космических струн полагали, что прямой связи между суперструнами и космическими струнами нет (названия были выбраны независимо, по аналогии с обычной струной). Возможность образования космических струн в ранней Вселенной впервые была предсказана теоретиком квантового поля Томом Кибблом в 1976 году. Он заключил, что если бы они образовались, то либо распались бы на более мелкие струны до достижения макроскопических масштабов (в случае теории суперструн типа I), либо всегда проявлялись бы как границы доменных стенок, напряжение которых заставляло бы струны схлопываться, а не разрастаться до космических масштабов (в контексте гетеротической теории суперструн), либо, имея характерный энергетический масштаб, близкий к энергии Планка, они образовались бы до космологической инфляции и, следовательно, были бы разбавлены расширением Вселенной и не поддавались бы наблюдению. С тех пор многое изменилось, главным образом благодаря второй революции в теории суперструн. Сейчас известно, что теория струн содержит, помимо фундаментальных струн, определяющих теорию в рамках теории возмущений, другие одномерные объекты, такие как D-струны, и многомерные объекты, такие как D-браны, NS-браны и M-браны, частично обернутые на компактные внутренние пространственно-временные измерения, при этом пространственно протяженные в одном некомпактном измерении. Возможность существования больших компактных измерений и больших коэффициентов варпа позволяет струнам иметь натяжение значительно ниже планковской шкалы. Кроме того, различные обнаруженные дуальности указывают на то, что все эти, казалось бы, разные типы струн на самом деле являются одним и тем же объектом, проявляющимся в разных областях пространства параметров. Эти новые разработки во многом 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, представляющей собой струнную конструкцию ранней Вселенной, приводящую к расширяющейся Вселенной и космологической инфляции. Впоследствии теоретик струн Джозеф Полчински понял, что расширяющаяся Вселенная могла растянуть "фундаментальную" струну (того типа, который рассматривается в теории суперструн) до межгалактических размеров. Такая растянутая струна проявляла бы многие свойства старого "космического" типа струн, что вновь делает полезными старые расчеты. Как отмечает теоретик Том Киббл, "космологи теории струн обнаружили космические струны, скрывающиеся повсюду в зарослях". Более ранние предложения по обнаружению космических струн теперь можно использовать для изучения теории суперструн. Суперструны, D-струны или другие вышеупомянутые струнные объекты, растянутые до межгалактических масштабов, излучали бы гравитационные волны, которые можно было бы обнаружить с помощью экспериментов, таких как LIGO и, особенно, космического эксперимента по обнаружению гравитационных волн LISA. Они также могут вызывать небольшие неоднородности в космическом микроволновом фоне, слишком слабые для обнаружения на данный момент, но, возможно, в пределах досягаемости будущих наблюдений. Следует отметить, однако, что большинство этих предложений зависят от соответствующих космологических основ (струн, бран и т. д.), и до сих пор не было получено убедительных экспериментальных подтверждений. Тем не менее, космические струны открывают окно в теорию струн. Если космические струны будут обнаружены – что является реальной возможностью для широкого спектра космологических моделей струн – это предоставит первое экспериментальное свидетельство модели теории струн, лежащей в основе структуры пространства-времени.

Космическая сеть струн

Есть много попыток обнаружить отпечаток сети космических струн.