Космические струны и другие топологические дефекты

Что такое топологические дефекты?

Топологические дефекты это стабильные конфигуарции материи, образовавшиеся при фазовых переходах в очень ранней Вселенной. Эти конфигурации существуют в исходной, симметричной или старой фазе, однако, тем не менее, они воздерживаются от фазового перехода к асимметрической или новой фазе путем фазового перехода. Существует несколько возможных типов дефектов, таких как стенки доменов, космические струны, монополи, textures и другие `гибридные' образования. Тип образующегося дефекта зависит от совйств симметрии материи и природы фазового перехода.

Ниже Вы можете найти краткое описание дефектов каждого типа:

Границы домена:

Это двумерные объекты, которые формируются когда при фазовом переходе разрушается дискретная симметрия. Сеть стенок доменов эффективно разделяет Вселенную на ряд различных `ячеек'. Стенки доменов обладают довольно специфическими свойствами. Например, гравитационное поле стенки домена является отталкивающим, а не притягивающим.

Космические струны:

Существуют одномерные (то есть, линейные) объекты, которые образуются при нарушении осевой или цилиндрической симметрии. Струны могут быть связаны с физическими моделями частицы великого объединения, или они могут образовываться при электрослабой шкале. Они являются очень тонкими и могут тянуться по всей наблюдаемой Вселенной. Типичная струна теории великого объединения имеет толщину менее чем одна триллионная часть радиуса атома водорода. Однако, 10 км длины одной такой струны будут весить столько же, что и сама Земля!

Монополи:

Это нульмерные (точечные) объекты которые образуются при нарушении сферической симметрии. Предсказано, что монополи являются сверхмассивными и несущими магнитный заряд частицами. Существование монополей является неизбежным предсказанием теорий великого объединения (GUTs); они являются одной из загадок стандартной космологии.

Текстуры:

Текстуры образуются при полном нарушении больших, более сложных групп симметрии. Текстуры являются не локализованными топологическими дефектами, которые являют нестабильными и коллапсируют. Потенциальный космологический смысл текстур описан здесь.

Наблюдались ли они?

Из-за их чрезвычайно высоких энергий космологические дефекты до настоящего времени не обнаруживались, и это является поистине невозможным создать их даже в наиболее мощных ускорителях частиц. С другой стороны, это одна из причин, почему люди так заинтересованы в них - если мы сможем найти их сегодня, то они станут уникальным прямым указанием на физику первых мгновений Вселенной. Некоторые наблюдательные проекты уже осуществляются!

На сегодня имеются сообщения об обнаружении российскими совместно с итальянскими астрономами кандидатов космических струн методом гравитационного линзирования - прим. переводчика.

Однако, дефекты не являются исключительными лишь для ранней Вселенной! Они существуют и изучались в широком разнообразии более `приземленных' контекстов. В лаборатории, топологические дефекты обычно наблюдают в системах конденсированной материи. Простыми примерами являются домены в ферромагнетиках; области, в которых магнитные диполи выстроены в линию, разделены стенками доменов. Жидкие кристаллы проявляют массу топологических дефектов, таких как струны и монополи. Дефекты также можно найти в биохимии, особенно в процессе укладки белка.

В качестве примера здесь приведены две фотографии (полученные на оптическом микроскопе) струны в нематических жидких кристаллах (автор I.Chuang с. соавт., 1991г):

Рис.2 : эволлюция сети струн в жидком кристалле. Четыре фотографии имеют одинаковый размер, но были сняты в разное время. Заметьте прогрессирующее разбавление сети струн.

Возможно Вы захотите вернуться назад, чтобы сравнить эти структуры с тем, как мы описывали эволлюцию струн в космологическом контексте...

Почему они образуются?

Если космические струны или другие топологические деекты могут образовываться при космологическом фазовом переходе, тогда они будут образовываться. Впервые на это в космологическом контексте указал Киббл (Kibble), поэтому процесс образования дефекта известен как механизм Киббла.

Простым фактом является то, что причинные воздействия в ранней Вселенной (как и в любое другое время) могут распространятся лишь со коростью света c. Это означает, что в момент времени t, области Вселенной, разделенные расстоянием более, чем d=ct не могут ничего знать друг о друге. При фазовом переходе нарушения симметрии, различные области Вселенной будут падать в разные минимумы из набора возможных состояний (этот набор известен математикам как вакуумное многообразие). топологическими дефектами являются именно `границы' между акими областями с различными образом выбранными минимумами, и их образование является, в соответствии с этим, неизбежным следствием того факта, что разные области не могут согласовать свои выборы.

Например, пусть в теории с двумя минимумами существуют плюс + и минус -, тогда соседние области, разделенные расстоянием более чем ct будут падать случайно в различные состояния (как показано ниже). Интерполяция между этими разными минимумами даст стенку домена.

Космические струны возникают в соответствии с несколько более сложными теориями, в которых состояниями минимальной энергии обладают `дыры'. Струны будут просто соответствовать нетривиальному `закручиванию' вокруг этих дыр (как показано ниже).

Почему мы стремимся их изучать?

Потому что, как мы омечали выше, они обеспечивают уникальный выход на физику очень ранней Вселенной. Более того, они способны решающим образом влиять на эволлюцию Вселенной! Поэтому, с учетом данных обстоятельств, они были обязаны образоваться, а их изучение является неизбежной частью любой серьезной попытки понять раннюю Вселенную.

Конкретные последствия варьируют в зависимости от типа рассматриваемого дефекта. С одной стороны, стенки доменов и монополи являются космологически катастрофичными. Любая космологическая модель, в которой они образуются будет развиваться таким образом, который противоречит основным наблюдательным фактам, которые мы знаем о Вселенной. Такие модели, следовательно, должны исключаться!

С другой стороны, космические струны и (возможно) текстуры являются намного более милосердными. Среди прочего, они могут служить `семенами', которые привели к образованию крупномасштабных структур, которые мы наблюдаем сегодня, а также анизотропии Космического микроволнового фона. Они также могут иметь отношение к происхождению некоторых форм `темной материи' во Вселенной.

Однако, прежде чем анализировать все эти сценарии, необходимо убедиться в том, что мы понимаем, как развиваются струны. А чтобы сделать это, нужно неизбежно обратиться к численному моделированию...