Mįslingos senovinės galaktikos ir keistaformiai spiečiai rodo, kad galbūt aptikome šviesos greičiu sklindančias kosmines stygas – ir kartu gilesnės tikrovės teorijos užuominas

Kokio ilgio tokia styga? Šiuo atveju tokio, koks visos visatos plotis. Bet kosminės stygos nėra šiaip gijos. Plonesnės už protoną ir besitęsiančios milijardus šviesmečių, jos sklinda per erdvę beveik šviesos greičiu, varomos – ir turinčios – sunkiai įsivaizduojamas energijas, egzistavusias Didžiojo Sprogimo metu, iš kur jos ir kilo.

Ar bent jau taip manoma. Kosminės stygos yra vieni iš ekstremaliausių fizikos teoretikų sugalvotų fenomenų, ir visgi prielaidos jas svarstyti yra rimtos. Jos yra „viena iš labiausiai tikėtinų, patikrinamų vieningosios teorijos prognozių“, pažymi Edinburgho universiteto fizikas Neil Turok, turėdamas omenyje teorijas, kuriomis siekiama aprašyti fundamentalių gamtos jėgų susijungimą ir išsiskyrimą pačioje visatos pradžioje.

Aiškių kosminių stygų patvirtinimų dar neaptikome. Bet pernai astronomai pastebėjo nemažai anomalijų – nuo nepaaiškinamai didelių galaktikų iki keistaformių spiečių – keliančių mintį, kad pagaliau prisiartinome prie tų paslaptingųjų gijų. Negana to, jeigu viena iš šių užuominų pasitvirtins, turėsime įrankį patvirtinti kosminių stygų egzistavimą kartą ir visiems laikams, ir netgi galėsime atskirti jų formas.

Tai būtų „labai didelis“ proveržis, sako Joseph Conlon iš Oxfordo universiteto, nes padėtų teoretikams apsispręsti dėl vieningosios teorijos. „Tai būtų fundamentaliai naujas visatos komponentas,“ sako jis.

Geriausias mūsų turimas žinomų dalelių ir sąveikų apibūdinimas, dalelių fizikos standartinis modelis, kosminių stygų nenumato. Tačiau daug neišsprendžiamų paslapčių, tarkime, galaktikas klijuojanti tamsioji materija ar neįprastos neutrinų metamorfozės, paskatino teoretikus ieškoti būdų standartinį modelį praplėsti. O daugelyje šių išplėstinių versijų, plačiai klasifikuojamų, kaip kvantinio lauko teorijos, aprašančių daleles kaip lauko sužadinimus, o ne diskrečius vienius, kaip esame įpratę, kosminės stygos atsiranda natūraliai. Šia prasme, kosminės stygos, nors iš pirmo žvilgsnio ir egzotiškos, iš tiesų yra gan banalios ieškant išsamesnio matematinio gamtos aprašymo.

Šnekant bendrai, tose alternatyviose dalelių fizikos teorijose visatos pradžioje, trys gamtos jėgos – elektromagnetizmas, silpnoji ir stiprioji branduolinė sąveika – prieš atsiskirdamos pasireiškė kaip viena jėga. Kosmosui vėstant, šiame vieningame kvantiniame lauke įvyko staigus „fazinis virsmas“, truputį primenantis tą, kuris vyksta vandeniui sušalant į ledą. Kaip ledo kubeliuose atsiranda natūralūs įskilimai, panašūs defektai, vienmačių stygų forma, galėjo rastis, kai vieningasis laukas suskilo į jį sudarančius komponentus.

Gali egzistuoti ir kita kosminių stygų kategorija. Šios „kosminės superstygos“ susijusios su superstygų teorija, kuria tikimasi suvienyti dvi atskiras modernios fizikos atšakas – kvantinę mechaniką ir bendrąjį reliatyvumą – į kvantinės gravitacijos teoriją. Superstygų teorijoje viskas visatoje yra sudaryta iš mažų vienamačių vibruojančių stygų. Pačios jos nėra kosminės stygos. Tačiau jeigu kurias iš šių stygų infliacija – staigaus plėtimosi periodas visatos istorijos pradžioje – išplėtė iki kosmologinių mastų, jos būtų tapusios kosminėmis superstygos.

Galaktinės keistenybės

Kadangi kosminės stygos pasireiškia tiek daug skirtingų teorijų, dabartinė jų būsena visai nevienareikšmė. Kai kurios turėtų tęstis per visą regimą visatą, su jomis beveik šviesos greičiu keliaujančios energijos raibuliais, sulankstančiais ir supinančiais jas į supainiotą tinklą. Kai stygos susiduria viena su kita, mažesnės stygos kilpos nutrūktų. Be to, šios kilpos galėtų susikirsti su savimi, subyrėdamos į dar mažesnes kilpas, dar padidindamos sumaištį.

Tačiau jeigu toks stygų tinklas egzistuoja, jis turėtų palikti žymes kosmose, judindamas viską, kas turim masę. Pavyzdžiui, kai standartinį modelį kosminėmis stygomis 1976 metais pirmą kartą išplėtė Tomas Kibble'as iš ICL, jos atrodė galinčios paaiškinti galaktikų ir spiečių užuomazgas ankstyvojoje visatoje. Esminė mintis buvo, kad ankstyvojoje visatoje stipri kosminių stygų gravitacija pritraukė materiją, kuriai buriantis ir jungiantis, prasidėjo struktūrinių formacijų kaskada.

Tačiau dešimtojo dešimtmečio pradžioje, kosminės stygos teoretikų simpatijas prarado. Kai fizikai išmatavo ankstyvosios visatos spinduliavimo liekanas, vadinamąjį kosminių mikrobangų foną (KMF), paaiškėjo, kad jis labai tolygus – visame danguje nukrypimai buvo labai menki. Tai neatitiko idėjos, kad kosminės stygos sudaro didelę visatos energijos dalį. Pasitelkiant grubią analogiją, jei plaukiojimo baseino paviršius lygus, galima būti tikram, kad jame orka ar lamantinas nesiblaško.

KMF tolygumas reiškia, kad šiose kosminių stygų struktūrose yra daugiausiai dešimtadalis visatos energijos. „Jos negalėjo būti dominuojančiu galaktikų formavimą nulėmusio netolygumo veiksniu,“ sako Princetono universiteto kosmologas Jim Peebles. „Bet nepaisant to, jos ten būti gali, ir gali būti aptinkamos, jei pažvelgsime pakankamai įdėmiai.“

Peeblesui užtikrintumą teikia neįprastos formos galaktikų spiečiai, kuriuos nurodė rugpjūtį publikuotame straipsnyje. Net jei kosminės stygos menkai paveikė bendrą dabartinį galaktikų pasiskirstymą, individualios stygos vis viena galėjo deformuoti individualius galaktikų spiečius. Įsivaizduokite kosminę stygą, skrodžiančią sferinę galaktiką kaip beveik šviesos greičiu judanti sūrio pjaustymo viela. Stygos gravitacija spiečių deformuotų, palikdama po savęs kiek iškreipto mėsainio formą. „Šis nedidelis suplokštėjimas būtų būdingas dideliam erdvės regionui, tad reikėtų pažvelgti į daugybę galaktikų ir pažiūrėti ar buvo kokia nors tokių lapų formavimosi tendencija,“ sako jis.

Tokių plokštumų užuominos tarp netoli esančių galaktikų buvo užfiksuotos dar šeštojo dešimtmečio pradžioje, bet naujesni astronomijos tyrimai tokias spėliones tik sustiprino. Savo straipsnyje Peeblesas rašo, kad dviejų atskirų galaktikų grupuočių analizė rodo reikiamą plastiškumą. Spiečių, viename kurių gyvuoja mūsiškis Paukščių Takas, ilgis yra maždaug 30 kartų didesnis už plotį.

Tokį plokštumą paaiškinti standartiniu kosmologijos Λ-CDM modeliu – kur graikiška raidė lambda žymi hipotetinę jėgą, lemiančią greitėjantį Visatos plėtimąsi, o CDM žymi šaltą tamsiąją materiją – sunku, teigia Peeblesas. Jei atradimai pasitvirtins, „mintys pasisuks link ilgų, beveik tiesių kosminių stygų vizitų“.

Nauji senovinių galaktikų stebėjimai pateikia daugiau kosminių stygų užuominų, nes tokį spėrų šių galaktikų augimą galėtų paaiškinti stygų gebėjimas suburti materiją. Vasarį JWST užfiksuota stulbinamai masyvių galaktikų grupelė, susiformavusi vos per 500 – 800 milijonus metų po Didžiojo Sprogimo, kas irgi neatitinka lambda-CDM modelio. KMF tolygumas reiškia, kad kosminės stygos pagrindiniu galaktikų formavimąsi lėmusiu veiksniu būti negalėjo, bet šiokią tokią įtaką daryti vis viena pajėgė, sako Robertas Brandenburgeris iš McGill universiteto Montrealyje, Kanadoje. „Jei yra papildomas struktūrų formavimosi šaltinis, kurį kosminės stygos gali suteikti, situaciją galima išspręsti,“ sako jis.

Į tai atsižvelgdamas, Brandenbergeris suskaičiavo, kokią įtaką lengvos stygos galėjo turėti ankstyvojoje visatoje. Jų ilgio vieneto masė maža – bent jau kosminės stygos standartais, tad nedaro pastebimo poveikio KMF. Bet jų gravitacija visgi pakankama, kad paaiškintų dalį JWST regimų labai didelių galaktikų.

Teoretikų manymu, kosminės stygos labiausiai veikė struktūros formavimąsi arčiau DS, kai stygų tinklas buvo tankesnis. Tai reiškia, kad geriausi įrodymai seniausiose galaktikose, pažymi Brandenbergeris. Jis planuoja tirti jų struktūrą radiobangomis, išspinduliuotomis šaltų neutralaus vandenilio atomų, vadinamo 21 centimetro spinduliavimu, galaktikose, gimusiose vos po ~50 milijonų metų nuo DS. Šis spinduliavimas turėtų būti aiškiai matomas, kai dešimtmečio pabaigoje pradės veikti Kvadratinio kilometro masyvo (SKA) teleskopai Pietų Afrikoje ir Australijoje. „Dabar labiausiai laukiu 21 centimetro bangų duomenų,“ sako Brandenbergeris.

Kitą potencialią kosminių stygų užuominą astronomai aptiko rugsėjį – dvi galaktikas, kurios kai kuriems stebėtojams atrodo viena kitos veidrodiniais atspindžiais. Čia idėja tokia, kad tarp Žemės ir tolimos galaktikos atsidūrusi kosminė styga gravitaciniu lęšiavimu gali iškreipti ar dubliuoti galaktikos atvaizdą panašiai, kaip tai daro labai masyvūs objektai. Taip viena galaktika gali atrodyti kaip dvi identiškos. Tačiau Brandenbergeris nusiteikęs skeptiškai. „Jau buvo du panašūs teiginiai, ir abiem atvejais „dvigubi atvaizdai“ pasirodė esantys dviem skirtingais objektais, kuriuos matome danguje greta [vienas kito],“ sako jis. Be to, gravitacinį lęšiavimą gali sukelti ir kiti masyvūs objektai, tarkime, tamsiosios materijos telkiniai ar juodosios bedugnės, tad veidrodinis atvaizdas nėra unikalus kosminės stygos ženklas.

Gravitacinės bangos

Visų šių idėjų bėda, kad jos vienodai tikėtinos. Kai tiek daug dar nežinoma apie sudėtingą galaktikų dinamiką, kosminės stygos lieka nuošalia galimybe. Bet kosminės stygos gali atsiskleisti ir kitaip, kas teoretikams galėtų pateikti pilnesnius duomenis, padėsiančius išpainioti jų prigimtį. Birželį tarptautinis Šiaurės Amerikos gravitacinių bangų nanohercų observatorijos (Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) sandarbis atrado vienodai iš visų dangaus pusių sklindantį foninį gravitacinių bangų ūžimą. Observatorija naudoja besisukančias ir radiobangas skleidžiančias neutronines žvaigždes – pulsarus – aptikti nedidelius gravitacinių bangų sukeliamus iškraipymus, kurie šiek tiek pakeičia tų pulsarų signalus.

Pirmaujantis šio foninio ūžesio kandidatas yra nesuskaičiuojamų, po visą kosmosą išsibarsčiusių supermasyvių juodųjų bedugnių susidūrimai. Šio paaiškinimo naudai liudija tai, kad kad žinome, jog tokios juodųjų bedugnių poros randasi susiliejant galaktikoms. „Statydamas ant žinomos astrofizikos, 99 procentus kartų laimėsi,“ sako Conlonas.

Bet kosminės stygos, kurios nuolat lankstosi ir vibruoja dėl jose esančios įtampos, irgi skleistų gravitacines bangas. Yra menka tikimybė, kad foninį ūžesį kelia būtent kosminės stygos, sako Turokas, kuris buvo vienas iš pirmųjų mokslininkų, kurie ėmėsi tirti kosminių stygų fiziką devintajame dešimtmetyje. Problema ta, kad pats NANOGrav signalas yra labai silpnas. „Žiuri dar tariasi“ netgi dėl paties signalo realumo, sako Turokas, kuris įdėmiai stebi NANOGrav duomenų aiškėjimą.

O konkrečiai, jis stebės, ar foninio ūžesio „spektre“ yra būdingas nuolydis, kurį galima paaiškinti tik kosminėmis stygomis. Šiuo atveju gravitacinių bangų stiprumas turėtų didėti proporcingai jų bangos ilgiui. „Kosminių stygų atveju labai specifiškai nurodoma, kaip signalas didėja vis ilgesnėms ir ilgesnėms bangoms, tai įstabu“ sako Turokas. Tačiau jis mano, kad norint išvysti tokią koreliaciją duomenis reikės rinkti dar dešimtmetį.

Be to, Turokas įspėja, kad detalus kosminių bangų spektro skaičiavimas pasirodė „daug sunkesnis, nei žmonės tikėjosi“. Iš dalies taip yra dėl to, kad nežinoma tiksli stygų forma. Stygoms susiduriant ir atitrūkstant kilpoms, jos gali „būti gerokai netolygios mažu masteliu“, kas gerokai apsunkina skaičiavimus, sako jis.

Kvantinė gravitacija

Kosminės stygos, atrastos pasinaudojus gravitacinėmis bangomis, suteiktų galimybę žvilgtelėti ir į pačių stygų prigimtį. „Visos kosminės stygos virpa daugmaž vienodai, bet skirtingų stygų rūšių virpesių [energijos mažėjimo] tempas skirtingas,“ sako Turokas. Pavyzdžiui, kosminės superstygos, susidariusios plečiantis stygų teorijos aprašomoms stygoms,prarastų energiją, irdamos į egzotiškas daleles. Be to, jos būtų ne taip linkusios sudaryti kilpas, kaip kosminės stygos iš fazinių virsmų labai ankstyvoje visatoje, nes stygų teorijoje yra papildomi matmenys, kuriuose stygos virpa, ir dėl to sumažėjo susikirtimo tikimybė. Visa tai veikia gravitacinių bangų signalo stiprį ir formą. Tačiau vėl gi, patys skaičiavimai beprotiškai sudėtingi, pažymi Turokas.

Jeigu pavyktų atlikti tokius matavimus, tai būtų retas vieningosios gamtos teorijos empirinis testas – taip pat, galbūt ir siūlantis užuominas apie seniai ieškomą kvantinę gravitacijos teoriją. Šios vieningosios teorijos teatsiskleistų tik esant gigantiškoms energijoms, nepasiekiamoms netgi LHC. „Tai pateiktų absoliučiai unikalią ekstremaliai aukštų energijų fizikos įžvalgą, visiškai nepasiekiamą jokiais kitais stebėjimais,“ tvirtina Turokas.

Tuo tarpu teoretikai aiškinosi, kokios fundamentalios teorijos dera su kosminėmis stygomis. Pavyzdžiui, birželį publikuotame straipsnyje Astrid Eichhorn iš Pietinės Danijos universiteto išsiaiškino, kad kvantinės gravitacijos teorijų klasė, vadinama „asimptotiškai saugiomis“ teorijomis, nesuderinama su kosminėmis stygomis, atsirandančiomis kai kuriuose standartinio dalelių modelio plėtiniuose. Teoretikams patinka labiau simptotiškai saugios teorijos, nes jos prie tokių plėtinių prisijungia be vidinių prieštaravimų, lemiančių begalybių atsiradimą. Tai gali skambėti kaip bloga naujiena kosminėms stygoms, bet Eichhorn sako, kad svarbiau yra stebėjimai. „Jei būtų tvirtai kosminių stygų egzistavimą patvirtinančių atradimų, tai reikštų bėdą“ tai būtų tų plėtinių problema, sako ji.

Kaip užuomina galėtų būti ir tai, kad kosminių superstygų egzistavimas labiau tikėtinas, nei kosminių stygų iš dalelių fizikos modelio plėtinių. „Jeigu egzistavo kosminės stygos, kurios iš tiesų buvo išpūstos superstygos, tuomet tai aiškiai padėtų suprasti kvantinę gravitaciją,“ sako Conlon. „Tačiau tai didelis „jeigu“!“

Conlonui kosminių superstygų atradimas prilygtų laimėjimui loterijoje. „Visus tuos metus galvojome, kaip sujungti stygų teoriją su kokiu nors eksperimentu ar stebėjimu,“ sako jis. „[Įsivaizduokite], kad tuomet atrandate, kad stygų teorijos stygos iš tiesų egzistuoja, ir driekiasi per visą visatą.“

Dan Falk
www.newscientist.com