Cordes còsmiques: poden existir fissures que travessin l’Univers?

L’Univers podria contenir línies més primes que un protó i tan llargues que travessessin tot el cosmos observable. No serien esquerdes que es poguessin obrir ni túnels cap a un altre lloc, sinó concentracions d’energia nascudes quan l’Univers primitiu es va refredar. La física les anomena cordes còsmiques.

QuantumFracture explica per què aquests objectes apareixen de manera natural en algunes teories de partícules, quins efectes tindrien sobre la llum i l’espaitemps i com els podríem detectar. La idea és científicament seriosa, però la dada més important continua sent negativa: fins ara no s’ha observat cap corda còsmica de manera inequívoca.

L’Univers també va passar per transicions de fase

Quan l’aigua es congela, els cristalls no comencen a créixer tots al mateix punt ni amb la mateixa orientació. En trobar-se, les estructures poden encaixar malament i deixar defectes. L’analogia ajuda a imaginar el que podria haver passat durant el refredament del cosmos.

En els primers instants, la temperatura i la densitat eren extremes. A mesura que l’Univers s’expandia, va travessar transicions de fase. Els quarks i gluons lliures, per exemple, van acabar confinats en protons i neutrons. Altres transicions hipotètiques haurien trencat simetries de les forces fonamentals.

En física, una simetria significa que certes transformacions no canvien el sistema. Un camp pot començar en un estat simètric i energèticament inestable, com una pilota al cim d’un turó. Quan la temperatura baixa, ha de triar un dels diversos mínims possibles. Regions massa separades per comunicar-se poden escollir mínims diferents. Quan creixen i es troben, la frontera no sempre pot desaparèixer.

Del defecte puntual a la corda còsmica

La forma del conjunt de mínims determina el defecte. Si hi ha dues opcions desconnectades, la frontera pot formar una paret de domini. Amb altres geometries poden aparèixer monopols puntuals. Si el camp ha de completar una volta al voltant dels mínims i queda atrapat al centre, el defecte és una línia: una corda còsmica.

Les parets i els monopols creen problemes cosmològics perquè, en moltes versions, serien massa abundants o acumularien massa energia. Les cordes són més compatibles amb l’evolució observada i per això han rebut tanta atenció.

No s’han de confondre automàticament amb les cordes fonamentals de la teoria de cordes. Les primeres són defectes macroscòpics d’un camp; les segones són objectes microscòpics postulats per unificar partícules i gravetat. Algunes construccions modernes, això sí, permeten que determinades cordes fonamentals s’estirin fins a escales còsmiques i es comportin com «supercordes còsmiques».

Ultrafines, massives i sotmeses a una tensió enorme

Una corda còsmica podria ser extraordinàriament prima i, alhora, contenir una energia enorme per unitat de longitud. La magnitud que controla els seus efectes és la tensió, habitualment expressada amb el paràmetre adimensional (G\mu), on (\mu) és la massa o energia per longitud.

En una corda ideal recta i quieta, la contribució gravitatòria de l’energia queda compensada d’una manera particular per la tensió. No atrau els objectes com ho faria una estrella amb la mateixa massa total. En canvi, altera la geometria al seu voltant: l’espai té un dèficit angular, com un full al qual s’ha tret un sector i se n’han unit les vores per formar un con.

Una xarxa real no seria estàtica. Les cordes es mourien a velocitats relativistes, vibrarien, es creuarien i podrien reconnectar-se. En el procés formarien bucles, puntes molt ràpides i irregularitats capaces d’emetre ones gravitacionals. Amb l’expansió còsmica, la xarxa podria mantenir una densitat relativa estable en lloc d’acabar dominant l’Univers.

Per què van deixar de ser necessàries per formar galàxies

Durant un temps es va estudiar si les cordes havien actuat com les llavors gravitacionals a partir de les quals es van formar galàxies i cúmuls. El model d’inflació va oferir una explicació diferent: fluctuacions quàntiques microscòpiques, ampliades durant una expansió rapidíssima, haurien originat les petites diferències de densitat.

Les mesures del fons còsmic de microones encaixen molt bé amb l’escenari inflacionari. La distribució de les seves anisotropies no permet que les cordes hagin contribuït gaire a l’estructura primordial. Això no les exclou completament, però obliga que la seva tensió i abundància siguin prou baixes perquè no contradiguin les dades.

Els estudis amb dades de Planck han anat imposant límits cada vegada més estrictes a (G\mu). Una no-detecció no demostra que no n’hi hagi cap: elimina les versions que produirien un senyal superior al que ja hauríem d’haver vist.

Una signatura òptica gairebé inconfusible

El dèficit angular ofereix una possible prova visual. Si una corda passa entre nosaltres i una galàxia, els raigs de llum que circulen pels dos costats poden convergir. Un telescopi veuria dues imatges molt semblants del mateix objecte.

Una lent gravitatòria ordinària sol estirar i deformar la imatge en arcs o anells. Una corda ideal produiria dues còpies sense distorsió, separades per un angle relacionat amb la tensió. A principis de segle, dues galàxies gairebé idèntiques van semblar candidates a aquest efecte, però observacions de més resolució van demostrar que eren dos objectes diferents.

Buscar aquestes parelles en grans catàlegs continua sent possible, encara que les cordes corbades, en moviment o amb irregularitats generarien patrons menys nets que el dibuix ideal.

El nou camí són les ones gravitacionals

Els bucles de corda perdrien energia emetent ones gravitacionals. La suma de moltes fonts al llarg de la història còsmica podria formar un fons estocàstic. Les xarxes de temporització de púlsars busquen precisament ondulacions amb períodes d’anys comparant rellotges naturals extremadament estables.

El conjunt de quinze anys de NANOGrav va trobar evidència d’un fons d’ones gravitacionals de freqüència molt baixa. La interpretació estàndard és una població de parelles de forats negres supermassius, però també s’han provat models cosmològics. El mateix estudi de NANOGrav adverteix que l’ajust d’algunes explicacions exòtiques depèn molt dels supòsits i no s’ha de considerar evidència de nova física; a més, les cordes estables convencionals no reproduïen el senyal en l’anàlisi citada.

Futures dades de púlsars i observatoris espacials com LISA ampliaran les freqüències accessibles. LISA utilitzarà tres naus separades per milions de quilòmetres per mesurar variacions minúscules de distància i podrà explorar fonts de l’Univers primerenc.

No detectades, però comprovables

Les cordes còsmiques són interessants perquè connecten física de partícules, relativitat i cosmologia i, alhora, fan prediccions observables. Podrien duplicar galàxies, modificar el fons de microones i produir un espectre característic d’ones gravitacionals.

Cap d’aquests canals ha proporcionat encara una detecció inequívoca. El resultat científic actual no és «l’Univers està esquerdat», sinó «si aquestes fissures existeixen, les versions més pesants ja estan molt restringides». Nous telescopis poden descobrir-les o continuar reduint l’espai on es poden amagar. Totes dues respostes ensenyarien alguna cosa sobre les transicions de fase que van donar forma al cosmos.