Могут ли порваться космические струны?
Многие модели Вселенной предсказывают существование бесчисленных невидимых струн, протянувшихся через пространство. Новое исследование выявило, как эти струны могут порваться, и как мы можем ощутить последствия.
Космические струны — это гипотетические остатки самых ранних моментов существования Вселенной. В течение первой секунды Большого взрыва Вселенная претерпела несколько интенсивных фазовых переходов, когда силы природы отделились друг от друга. Многие космологи полагают, что эти переходы были далеки от совершенства и что каждый из них оставил после себя дефекты в самом пространстве-времени.
Эти дефекты могли принимать самые разные формы и свойства, в зависимости от деталей физики (в значительной степени неизвестной и сложной), происходившей в те первые мгновения.
Космические струны, вероятно, являются одним из наиболее распространенных из этих дефектов, и если бы они существовали, то проявлялись бы как поистине экзотические объекты. Они имели бы толщину не шире протона, простирались бы от одного конца Вселенной до другого и были бы настолько плотными, что километр нити перевешивал бы всю Землю.
Они также были бы почти неразрушимыми. До нового исследования, которое еще не было представлено на экспертную оценку, ученые считали, что космические струны стабильны. Когда космические струны сформировались, они просто существовали, с самых ранних моментов Большого взрыва и до наших дней. Единственный способ уничтожить космическую струну — это если две из них пересекутся или одна зациклится сама на себе. Как только это произойдет, возникающие вибрации заставят космическую струну распасться на поток частиц и высокоэнергетическое излучение.
Но никаких подобных сигналов от космических струн никогда не было обнаружено, и на сегодняшний день астрономы не обнаружили никаких доказательств их существования. Это представляет собой проблему для космологии, поскольку многие модели ранней Вселенной предсказывают существование космических струн.
Итак, если во время Большого взрыва было создано множество космических струн, куда они все делись?
Возможно, космические струны не так стабильны, как когда-то думали, согласно новому исследованию, проведенному учеными из Института Кавли по физике и математике Вселенной в Японии (IPMU). Вместо того, чтобы быть стабильными, струны могут быть «метастабильными».
Метастабильность — это явление, встречающееся во всем физическом мире, и оно возникает, когда система может оказаться в стабильном положении и оставаться там в течение неопределенного периода времени, но любой сдвиг из этого положения заставит систему найти новое равновесие.
В качестве примера представьте, что вы падаете со склона холма — очень динамичная и нестабильная ситуация. Если вы временно остановитесь в углублении на склоне холма, вы теперь метастабильны. Если вас ничего не беспокоит, вы можете остаться в этом месте навсегда. Но если вас кто-то подтолкнет, вы выпадете из ямы и продолжите падать с холма.
Исследователи обнаружили, что другие экзотические объекты, известные как магнитные монополи, могут дестабилизировать космическую струну. Магнитные монополи — магнитные частицы «чистого севера» или «чистого юга» — также могут создаваться во время фазовых переходов ранней Вселенной.
Вблизи космических струн монополи могут образовываться с антимонополями, а затем быстро уничтожать друг друга. По мнению авторов исследования, высвободившаяся энергия может разорвать космическую струну пополам, запустив процесс дестабилизации, который вынудит космическую струну в конечном итоге раствориться.
Когда космическая струна растворяется, она вибрирует, и эта вибрация может вызвать образование гравитационных волн. Таким образом, во Вселенной, возможно, осталось не так много космических струн, что объясняет, почему мы до сих пор их не обнаружили, но их гравитационные сигналы могут остаться.
Действительно, исследователи указали на недавнее открытие фона гравитационных волн как возможного сигнала этих метастабильных космических струн. Астрономам необходимо будет более детально изучить фоновые волны, чтобы определить, ответственны ли за слабые вибрации, охватывающие Вселенную, космические струны или какой-либо другой источник, например, сталкивающиеся черные дыры и нейтронные звезды.