Как разрезать квантовую струну размером со Вселенную?

Космические струны — это гипотетические остатки самых ранних моментов существования Вселенной. В течение первой секунды Большого взрыва космос претерпел 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 ранние дни. 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 был бы тяжелее Земли.

И их будет почти невозможно разрушить. До нового исследования, которое еще не прошло экспертную оценку, ученые считали, что космические струны стабильны. Они просто существовали, с самых ранних моментов Большого взрыва и до наших дней. Единственный способ уменьшить 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 квантовых струн, куда они все делись?

Возможно, космические струны не так стабильны, как мы когда-то думали. Согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Института физики и математики Вселенной Кавли в Японии, 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 расположение.

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. 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.