Amici della Scienza – Notizie & Scoperte

Crepe nell’universo: la ricerca di stringhe cosmiche

Le stringhe cosmiche sono ipotetici difetti topologici monodimensionali che possono essersi formati durante una transizione della fase di rottura della simmetria nell’universo primordiale quando la topologia del del vuoto associata a questa rottura della simmetria non era semplicemente connessa . Si prevede che venga formata almeno una stringa per volume di Hubble. La loro esistenza fu inizialmente contemplata dal fisico teorico Tom Kibble negli anni ’70.

La formazione di corde cosmiche è in qualche modo analoga alle imperfezioni che si formano tra i cristalli di cristalli nei liquidi solidificanti, o le fessure che si formano quando l’acqua si congela in ghiaccio. Le transizioni di fase che portano alla produzione di stringhe cosmiche sono probabilmente avvenute durante i primi momenti dell’evoluzione dell’universo, subito dopo l’ influsso cosmologico , e sono una previsione abbastanza generica nella teoria dei campi quantistici e nei modelli di teoria delle stringhe dell’universo primordiale .

Filamenti di energia grezza della galassia possono essersi infilati nello spazio-tempo, secondo alcune teorie. Ne troveremo mai tracce? Cathal O’Connell riprende la caccia. Il nostro universo è esploso, espanso ad una velocità fantastica e raffreddato. Forse troppo in fretta. Alcuni fisici credono che il raffreddamento rapido potrebbe aver incrinato la struttura dell’universo.

stringhe cosmiche

Queste fratture possono ancora essere presenti nello spazio-tempo. Soprannominati archi cosmici, i modelli matematici li vedono come fili invisibili di pura energia, più sottili di un atomo ma lunghi anni luce. L’enorme quantità di energia che contengono li rende estremamente massivi; pochi centimetri di stringa cosmica potrebbero pesare quanto l’Everest.

I sostenitori di stringhe cosmiche, come Thibault Damour, un fisico teorico dell’Istituto di studi scientifici avanzati vicino a Parigi, sono convinti di questa ipotesi in virtù della matematica che continua a predirne l’esistenza. “Il fatto che le stringhe spuntino continuamente nei calcoli mi fa sentire sicuro che esistono”.

Tuttavia, come capsule del tempo dell’universo primordiale, le stringhe cosmiche dovrebbero conservare enormi energie – oltre un miliardo di volte più grandi di quelle rilasciate dalle particelle in collisione al Large Hadron Collider, dice Ken Olum, un fisico teorico alla Tufts University di Boston, “Imposibile costruire un acceleratore per testare la fisica a quelle scale di energia.”

Nessuno dei nostri strumenti astronomici può rilevare questi filamenti intergalattici apparentemente sottili. Per alcuni fisici, una teoria che non può essere testata non vale la pena considerarla. La teoria delle corde cosmiche appartiene alla stessa categoria della “teoria delle stringhe”, il loro controverso omonimo all’estremo opposto di scala. La teoria delle stringhe richiama le corde vibranti più minuscole di qualsiasi particella subatomica come elementi costitutivi dell’universo. Per Matthew Bailes, astrofisico alla Swinburne University of Technology di Melbourne, le stringhe cosmiche sono una “curiosità matematica” o peggio, “una fantasia esotica”.

Ma tutto questo potrebbe essere in procinto di cambiare. L’era nascente dell’astronomia delle onde gravitazionali potrebbe finalmente fornire uno strumento per testare l’esistenza di stringhe cosmiche. Non possiamo vederle, ma i rilevatori di onde gravitazionali potrebbero essere in grado di sentire i thrums e gli snap creati mentre si muovono nello spazio.

stringhe cosmiche

Come si potrebbe spezzare la vacuità dello spazio? I teorici dei campi quantistici vedono l’universo come una trama di campi onnipervadenti.

I campi riempiono lo spazio come un fluido e quelle che chiamiamo ‘particelle’ sono increspature all’interno del fluido. Un fotone è un’increspatura nel campo elettromagnetico (che sperimentiamo come luce), un elettrone un’increspatura nel “campo di elettroni”, un bosone di Higgs un’increspatura nel campo di Higgs e così via. “Fondamentalmente esistono solo campi”, come disse Freeman Dyson.

Il teorico britannico Field Kibble, scomparso nel giugno 2016, ha avuto l’idea di stringhe cosmiche nel 1976. Stava riflettendo sulla prima frazione di secondo dopo il Big Bang quando l’universo ha subito una rapida espansione e quindi si raffreddò rapidamente. L’espansione causò un cambiamento di fase nei campi quantistici, così come avviene durante il congelamento dell’acqua.

In un blocco di ghiaccio, alcune regioni possono congelarsi con diversi orientamenti, come le piastrelle che vengono poste contemporaneamente alle diverse estremità di una stanza. Quando queste zone si incontrano, non si incastrano insieme così bene, provocando una crepa. Allo stesso modo, Kibble suppose che i cambiamenti di fase quantistica nell’universo primordiale avrebbero causato l’allineamento dei campi con orientamenti diversi, causando nuovamente crepe – stringhe cosmiche.

stringhe cosmiche
Molte teorie sulla nascita dell’universo suggeriscono che è intrecciata con stringhe cosmiche: crepe nello spazio-tempo create durante il raffreddamento rapido dopo il big bang. Questo modello mostra le corde in arancione e molti piccoli anelli in verde.
ADATTATO DA CARLOS MARTINS E PAUL SHELLARD

Alcune previsioni di Kibble hanno dato i loro frutti. Egli ipotizzò indipendentemente l’esistenza di una particella fondamentale che fornisce massa alle altre, che oggi conosciamo come bosone di Higgs. La scoperta di questa particella nel 2012 valse il premio Nobel.

Le stringhe cosmiche, tuttavia, erano particolarmente problematiche da rilevare. Apparivano solo ai margini di vaste regioni grandi quanto l’universo osservabile. Ecco perché, nello schema originale del 1976, Kibble scrisse: “cercare direttamente le stringhe cosmiche sarebbe inutile”. Così la storia delle corde cosmiche sarebbe potuta finire.

All’inizio degli anni ’80 la maggior parte dei cosmologi accettò la teoria del Big Bang, l’idea che l’universo si fosse evoluto dall’espansione di uno stato uniformemente caldo e denso. Ma l’idea aveva un grosso problema: la distribuzione grumosa delle galassie. La semplice teoria della formazione delle galassie sostiene che si formarono da nubi di idrogeno condensato sotto la forza di gravità. Questo dovrebbe produrre galassie equidistanti. Inoltre, le prime galassie si sono formate troppo rapidamente per essere spiegate da questo processo. Quindi, come si è formato il nostro universo bitorzoluto?

Vilenkin pensando a questo problema prese in considerazione l’articolo pubblicato da Kibble nel 1976: quando una stringa cosmica che si contorceva nel vuoto si incrociava, avrebbe tagliato un “loop” autonomo. Questi anelli enormemente pesanti sono come gli hula-hoop con dimensioni di un anno luce nello spazio. Vilenkin calcolò che il numero di cicli cosmici nell’universo primordiale era curiosamente vicino al numero di galassie.

L’idea fu accolta con grande eccitazione tra i fisici. Stephen Hawking scrisse diversi articoli sul collasso dei loop per formare buchi neri. Altri steorico si interessarono a come si piegano e si torcono nello spazio. Alcuni hanno perfino avanzato ipotesi su come rilevare le stringhe cosmiche: se i loop fossero stati molto abbondanti nell’universo primordiale, avrebbero lasciato una loro traccia sulla radiazione dopo il Big Bang – il cosiddetto background cosmico di microonde.

Nel novembre 1989 fu lanciato il satellite COBE (Cosmic Background Explorer), un esperimento da 140 milioni di dollari per mappare il fondo delle microonde cosmiche. Ma quando i dati furono pubblicati nel 1992, il cosmo non mostrò alcuna traccia di corde cosmiche. Invece, rendeva l’idea che le galassie si formarono intorno a piccole fluttuazioni quantistiche che risalivano a quando l’universo aveva dimensioni inferiore a quelle di un atomo.

“Così le stringhe cosmiche persero il loro interesse”, sostiene Xavier Siemens, un fisico teorico dell’Università di Milwaukee.

Nel frattempo, le corde di Kibble emergevano in altri campi della fisica. Nel 1996, due articoli nello stesso numero di Nature riportavano esperimenti in cui l’elio liquido – un modello per l’universo primitivo – venne raffreddato rapidamente. Apparvero difetti simili a corde. Altri difetti delle stringhe sono stati trovati durante i cambiamenti di fase nei cristalli liquidi e nei superconduttori, materiali esotici le cui proprietà si adattano anche alle equazioni di Kibble. “In effetti, si potrebbe dire che i difetti e i processi di ordinamento del tipo Kibble scoperti sono stati trovati e studiati quasi ovunque tranne che nell’universo”, scrive il fisico Neil Turok, del Perimeter Institute del Canada, nel suo libro del 2013 Symmetry and Fundamental Physics .

Anche l’idea della corda cosmica è nata nella fisica del piccolo. Nel 2003 una revisione sistematica pubblicata su Physical Review D ha concluso che quasi tutte le teorie della supersimmetria – l’idea che tutte le particelle fondamentali hanno partner non ancora scoperte – predice stringhe cosmiche di una forma o di un’altra. Nel frattempo Olum e altri hanno eseguito simulazioni al computer che mostrano che, se questa previsione è vera, dovrebbero esserci almeno un miliardo di loop di corde cosmiche cosparsi nell’universo osservabile.

Quello che mancava era l’osservazione della vita reale. Ma come si rileva qualcosa di più sottile di un atomo?

stringhe cosmiche
I rilevatori di onde gravitazionali sono la nostra migliore speranza per ascoltare le crepe e i ronzii delle corde cosmiche. Sono tutti sintonizzati su frequenze diverse. LIGO e VIRGO potrebbero sentire i whipcracks acuti, gli array di sincronizzazione delle pulsar potrebbero sentire rumori sub-bass e LISA può colmare le lacune.

Le onde gravitazionali.  A settembre 2015 l’Osservatorio gravitazionale (LIGO) ha rilevato onde gravitazionali che si riverberavano dai buchi neri in collisione. Questo aggiunse una nuova dimensione alla capacità degli astronomi di esplorare l’universo. “Dopo la scoperta di LIGO”, dice Damour, “ho immediatamente pensato, ‘Ora sarebbe bello se venissero rilevate stringhe cosmiche. ‘

Le corde cosmiche non possono essere viste ma potrebbero essere ascoltate. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo generate da oggetti enormi che si muovono estremamente velocemente, come una coppia di buchi neri o stelle di neutroni. O una stringa cosmica che si contorce.

“Quello che succede è come una frusta”, spiega Damour, che elaborò l’idea con Vilenkin nel 2000. Il crack di una frusta è in realtà un boom sonico causato quando parte della coda si muove più velocemente della velocità del suono. Allo stesso modo, quando un loop di corde cosmiche si muove e rimbalza, alcune parti si elevano alla velocità della luce ed emettono una serie di onde gravitazionali. I due fisici hanno calcolato che tale raffica potrebbe essere rilevabile da LIGO.

Dal 2005 al 2010, LIGO ha ascoltato senza sentire nulla. Dal settembre 2015, il LIGO è stato aggiornato ad una versione quattro volte più sensibile, continuando il suo rilevamento.

Una delle difficoltà nel rilevare la crepa è quella di essere emessa solo in una direzione particolare, come il raggio di una torcia. Quindi LIGO dovrebbe essere proprio nel percorso del raggio.

“IN FISICA, QUANDO NON TROVI QUALCOSA NON È UN FALLIMENTO”, DICE OLUM. “È UN SUCCESSO DI TIPO DIVERSO, PERCHÉ CI DICE QUALCOSA DI NUOVO SULL’UNIVERSO.”

Questo è il motivo per cui la nostra speranza di individuare le stringhe cosmiche non deriva dalle loro frustate ma dalla loro rotazione. Un anello di stringa cosmica ruota come un hula-hoop, emettendo onde gravitazionali – un’onda per ogni giro del cerchio. Ma i cerchi hanno una circonferenza di anni luce e potrebbero volerci decenni per terminare una singola rotazione.

In altre parole, questo hula – hoop cosmico genererebbe onde gravitazionali a frequenze estremamente basse, troppo basse per essere rilevate da LIGO. E’ quindi necessario un tipo completamente diverso di rilevatore di onde gravitazionali; per fortuna ne abbiamo uno.

Una matrice di temporizzazione pulsar è un rilevatore di onde gravitazionali della dimensione della galassia. Le pulsar fanno girare le stelle di neutroni (nuclei collassati di stelle esplose) emettendo intensi raggi di luce che lampeggiano come un orologio atomico. L’Osservatorio nanohertz nordamericano per le onde gravitazionali (NANOGrav) ha scrutato accuratamente alcune dozzine di pulsar per un decennio.

Qualsiasi deviazione dalla norma potrebbe indicare che un’onda gravitazionale che passa ha allungato o accorciato lo spazio-tempo tra noi e la pulsar, causando un leggero ritardo o anticipo nel tempo.

“Stiamo per aprire una nuova finestra sulle onde gravitazionali alle basse frequenze”, afferma Siemens, che è anche direttore di NANOGrav. Per tenere sotto controllo le pulsar su tutto il cielo, NANOGrav è collegato con altri due array di impulsi, uno che utilizza radiotelescopi in tutta Europa, e l’altro con sede presso l’Osservatorio di Parkes, nel New South Wales.

Le ricerche hanno lasciato il segno, come Siemens e Olum hanno annunciato lo scorso settembre.

“In fisica, quando non trovi qualcosa non è un fallimento”, dice Olum. “È un successo di tipo diverso, perché ci dice qualcosa di nuovo sull’universo.” Il no-show di stringhe cosmiche a certe energie può già essere usato per escludere alcune teorie di supersimmetria.

Il prossimo livello nella ricerca di stringhe cosmiche, e forse la nostra unica speranza di una risposta definitiva, arriverà con il Laser Interferometer Space Antenna (LISA), un rilevatore di onde gravitazionali basato sullo spazio che verrà lanciato nel 2034, che ascolterà la banda di frequenza tra i toni acuti rilevati da LIGO e i soffi sub-bassi a cui sono sintonizzati gli array di temporizzazione delle pulsar.

Anche se le prove continuano a rivelarsi negative è improbabile che alcuni fisici lascino andare le corde cosmiche. Siemens afferma che le stringhe potrebbero essersi formate con un’energia troppo bassa per emettere qualsiasi segnale “rilevabile nel prossimo futuro”. Un’altra possibilità è che le antiche stringhe cosmiche irradiano via la loro energia e svaniscono nel nulla troppo rapidamente dopo che il Big Bang lasciò un’impressione duratura.

Per ora le stringhe cosmiche vengono accantonate insieme ad altre belle idee che potrebbero completare la nostra comprensione dell’universo, ma mancano di supporto empirico. “Questa è la bellezza e il rigore della fisica”, dice Damour. “A volte esistono cose che non possiamo mai vedere.”

Teorie contenenti stringhe cosmiche

Nella teoria delle stringhe, il ruolo delle stringhe cosmiche può essere giocato dalle stesse stringhe (o stringhe di F) fondamentali che definiscono la teoria perturbativamente , per stringhe di D che sono legate alle corde di tipo F da quelle più deboli o cosiddette S- dualità , o D-, NS- o M-brane con dimensioni più elevate che sono parzialmente avvolti su cicli compatti associati a dimensioni spazio-temporali extra, in modo che rimanga una sola dimensione non compatta. 

L’esempio prototipo di una teoria dei campi quantistici con stringhe cosmiche è il modello Abigiano di Higgs. Ci si aspetta che la teoria dei campi quantistici e le stringhe cosmiche della teoria delle stringhe abbiano molte proprietà in comune, ma sono necessarie ulteriori ricerche per determinare le caratteristiche distintive precise. Le stringhe F, per esempio, sono completamente quantomeccaniche e non hanno una definizione classica, mentre le stringhe cosmiche di teoria del campo sono trattate quasi esclusivamente classicamente.

Dimensioni

Le stringhe cosmiche, se esistono, sarebbero estremamente sottili con diametri dello stesso ordine di grandezza di quelli di un protone, cioè ~ 1 fm o più piccoli. Dato che questa scala è molto più piccola di qualsiasi scala cosmologica, queste stringhe sono spesso studiate nell’approssimazione a larghezza zero o Nambu-Goto. Sotto questo presupposto, le stringhe si comportano come oggetti unidimensionali e obbediscono all’azione Nambu-Goto , che è classicamente equivalente all’azione Polyakov che definisce il settore bosonico della teoria delle superstringhe .

Nella teoria dei campi, la larghezza della stringa viene impostata dalla scala della transizione della fase di rottura della simmetria. Nella teoria delle stringhe, la larghezza della stringa viene impostata (nei casi più semplici) dalla scala della stringa fondamentale, dai fattori di curvatura (associati alla curvatura dello spaziotempo di uno spazio-tempo interno semidimensionale) e/o dalla dimensione delle dimensioni compatte interne . (Nella teoria delle stringhe, l’universo è 10 o 11 dimensionale, a seconda della forza delle interazioni e della curvatura dello spaziotempo.)

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. “Alla ricerca di un ‘Subway to the Stars  ” (Comunicato stampa). Archiviato dall’originale in data 2012-04-15.
  2. Niedermann, Florian; Schneider, Robert (2015). “Stringhe cosmiche gonfianti radialmente stabilizzate”. Phys. Rev. D . 91 (6): 064010. arXiv : 1412.2750 . Bibcode : 2015PhRvD..91f4010N . doi : 10.1103 / PhysRevD.91.064010 .
  3. Sazhin, M .; Longo, G .; Capaccioli, M .; Alcala, JM; Silvotti, R .; Covone, G .; Khovanskaya, O .; Pavlov, M .; Pannella, M .; et al. (2003). “CSL-1: effetto di proiezione del caso o scoperta fortuita di una lente gravitazionale indotta da una stringa cosmica?”. Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . 343 (2): 353. arXiv : astro-ph / 0302547 . Bibcode : 2003MNRAS.343..353S . doi : 10.1046 / j.1365-8711.2003.06568.x .
  4. Agol, Eric; Hogan, Craig; Plotkin, Richard (2006). “L’imaging di Hubble esclude le lenti a corda cosmica”. Physical Review D . 73 (8): 87302. arXiv : astro-ph / 0603838 . Bibcode : 2006PhRvD..73h7302A . doi : 10.1103 / PhysRevD.73.087302 .

Lascia una recensione

avatar

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.

  Subscribe  
Notificami