¿Existen las cuerdas cósmicas?

Las cuerdas cósmicas son objetos que se supone se formaron en el Universo temprano de cuya existencia aún no existen evidencias. Fueron propuestas por primera vez por el físico teórico Tom W. B. Kibble a finales de los 70 como una posible predicción de algunas teorías de campos, incluida la famosa teoría de Higgs. Se supone que son objetos unidimensionales, similares a las líneas de vórtices en el helio líquido, que pueden ser un remanente del Universo temprano después de que sufriese una transición de fase [*]. Las cuerdas cósmicas fueron un tema popular de investigación en los 80 ya que se supone que pudieron iniciar la formación de grandes estructuras como las galaxias. La presencia de cuerdas cósmicas en el universo temprano debería haber dejado señales en la radiación de fondo de microondas (en inglés: cosmic microwave background o [*] CMB). Sin embargo, los experimentos llevados acabo por satélites como COBE y WMAP revelaron que las cuerdas cósmicas no tienen un efecto medible sobre el CMB, descartando así un papel significativo de las cuerdas cósmicas.

El estudio de las cuerdas cósmicas fue retomado a principios de la década del 2000, cuando se dieron cuenta de que también se podrían formar en el contexto de la teoría de cuerdas [*]. La teoría de cuerdas postula que las partículas elementales son en realidad diminutos objetos unidimensionales presentes en un espacio multidimensional. En algunas teorías, dichas cuerdas podrían crecer hasta alcanzar tamaños de orden cosmológico y comportarse como cuerdas cósmicas históricas. Este tipo de cuerdas se llaman supercuerdas cósmicas, y de existir, podrían proporcionar valiosas evidencias observacionales en favor de la teoría de cuerdas.

Si asumimos la existencia de las cuerdas cósmicas, la red de (super)cuerdas que se habría formado en el Universo temprano habría evolucionado según el Universo se fue expandiendo: se habría estirado, oscilado, desintegrado, habría sufrido interacciones... Esta evolución, desde su formación hasta hoy, puede calcularse mediante grandes simulaciones en superordenadores. Sin embargo, dichas simulaciones suponen un enorme desafío dada la enorme cantidad de efectos físicos que hay que tener en cuenta. Debido a ello, es necesario hacer algunas suposiciones y simplificaciones para mantener la simulación a una escala razonable para ser ejecutado por los ordenadores. En el siguiente vídeo se puede ver el resultado de una de dichas simulaciones.

Simulación de una red de cuerdas cósmicas. Las cuerdas largas están representadas en amarillo, y los lazos en rojo.
© Grupo de Cosmología de Cambridge

Hoy en día aún no existen evidencias observacionales de la existencia de las cuerdas cósmicas, y los datos del CMB demuestran que de existir no serían abundantes. Una de los métodos más prometedores la detección de estos esquivos objetos es buscar la radiación gravitacional que deberían emitir. La emisión de ondas gravitacionales es el principal método por el que las cuerdas cósmicas disipan energía. Cuando una cuerda cósmica se cruza a si misma, el lazo resultante se separa, formando un nuevo objeto.

A 
plot of cosmic string loop formation.

Formación de un lazo de cuerda cósmica. Un lazo se forma (a) cuando dos cuerdas cósmicas interactúan en dos puntos distintos o (b) cuando una cuerda se cruza a si misma.
© Grupo de Cosmología de Cambridge

Una vez separado, el lazo está condenado a desaparecer: oscilará, radiará gravitacionalmente, se encogerá y finalmente se evaporará. El punto de emisión gravitacional más acusado se produce en el punto por el que el lazo se separó de el resto de la cuerda, la cúspide, que se mueve casi a la velocidad de la luz. Se espera que estas cúspides de las cuerdas cósmicas produzcan potentes brotes de ondas gravitacionales. La amplitud de la señal depende de la tensión de la cuerda y del tamaño del lazo. Dichas señales podrían ser detectadas por los observatorios interferométricos terrestres LIGO y VIRGO. Un ejemplo de una de estas señales señal se muestra a continuación:

A 
plot of predicted gravitational waveform produced by a cosmic string cusp.

Predicción de forma de onda [*] gravitacional producida por una cúspide de cuerda cósmica.

Las posibilidades de detectar una señal dependen en gran medida de la sensibilidad de los detectores y de nuestra habilidad para distinguir una señal real del ruido de fondo presente en los datos del detector. Hemos analizad datos de LIGO y VIRGO recogidos entre 2005 y 2010, cuando los detectores funcionaron muy cerca de o a su sensibilidad de diseño. Además, se han desarrollado métodos específicos de análisis de datos (filtrado adaptado [*] y el análisis multivariado [*]) para optimizar la extracción de la señal cúspide del ruido de los detectores.

A pesar de todos nuestros esfuerzos, no se han hallado evidencias a favor de las cuerdas cósmicas entre los datos de LIGO o Virgo. Como suele pasar en física experimental, un resultado nulo no implica que no hayamos aprendido nada. Si conocemos la sensibilidad de nuestros equipos de búsqueda, podemos usar el hecho de no haber encontrado nada para delimitar las propiedades de las cuerdas cósmicas. Los límites que hemos obtenido son los más estrictos hasta hoy para algunas de las regiones del espacio de parámetros de las cuerdas cósmicas. Este nuevo resultado pone límites a modelos físicos de cuerdas cósmicas y pueden ser usados para generar simulaciones más precisas de redes de cuerdas.

En 2011 los detectores LIGO y Virgo dejaron de tomar datos y se están instalando importantes mejoras a día de hoy. Los detectores avanzados deberían retomar sus observaciones en 2015/16 con mucha más sensibilidad que antes. Esto supone una gran oportunidad para observar cuerdas cósmicas ya que señales mucho más débiles deberían ser visibles. Advanced LIGO y Advanced Virgo deberían ser capaces de darnos pruebas definitivas de la existencia o no de las cuerdas cósmicas.

Glosario

  • Teorías de Campo: Modelos usados en física de partículas para describir las partículas subatómicas.
  • Transición de fase: Transformación termodinámica de un sistema que lo lleva de un estado a otro. Como ejemplo, sirva la congelación del agua para formar hielo.
  • Radiación de fondo de microondas (en inglés: cosmic microwave background o CMB): Poco después del Big Bang, cuando se formaron los primeros átomos, el Universo se hizo transparente. La radiación electromagnética que se escapó en ese momento aparece como un fondo débil en la región de microondas del espectro. Las fluctuaciones de temperatura de este fondo contienen la huella de como fue el contenido Universo en este momento.
  • Teoría de cuerdas: Marco en el que las partículas elementales son descritos por diminutos objetos lineales que evolucionan en un espacio multidimensional. La teoría de cuerdas es una candidata para una teoría del todo, ya que unifica de forma natural todas las fuerzas fundamentales.
  • Forma de onda gravitacional: Curva que describe cómo la perturbación causada por una onda gravitacional varía con el tiempo.
  • Sensibilidad del detector: Habilidad para detectar una señal. Detectores con menos ruido son capaces de detectar señales más débiles, y por lo tanto tienen más (o mayor) sensibilidad.
  • Filtrado adaptado: Cuando se conoce la forma de onda gravitacional de la señal, ésta se puede utilizar como plantilla para filtrar de manera óptima los datos y extraer la señal esperada.
  • Análisis multivariado: Técnica de análisis donde se utilizan múltiples parámetros simultáneamente para mejorar estadísticamente un efecto de interés. Este enfoque multidimensional difiere de análisis estándar donde se utilizan los parámetros de uno en uno.

Para saber más:

Figuras de la publicación

Para obtener más información sobre el significado de estas figuras, ver la pre-impresión en arXiv.org.

A plot 
of detection efficiency versus cusp signal amplitude

Este gráfico muestra la eficiencia de detección en función de la amplitud de la cúspide. Esto nos indica que fracción de los eventos de cúspides de cuerdas cósmicas de una determinada amplitud nuestra búsqueda debe de ser capaz de encontrarlas.

A 
plot of existing constraints on cosmic strong parameters

Esta figura presenta las restricciones existentes sobre los parámetros de las cuerdas cósmicas: la tensión de la cuerda Gµ, el parámetro del tamaño del lazo ε y la probabilidad p de que dos segmentos de cuerda interactúen al encontrarse. Nuestro análisis es capaz de rechazar las regiones marcadas en rojo. Para comparar, también damos otras limitaciones derivadas de las búsquedas de fondo de ondas gravitacional de cuerdas cósmicas (púlsares / CMB / LIGO estocástico) fijando el valor de p en 1e-3.