Evolution of Cosmic String Loops under Gravitational Backreaction

Nei primissimi istanti dell'universo, una frazione di secondo dopo il Big Bang, le forze fondamentali della natura potrebbero essersi separate l'una dall'altra in un processo noto come rottura della simmetria. Questo evento, molto simile all'acqua che si congela in ghiaccio, potrebbe aver lasciato cicatrici permanenti nel tessuto stesso dello spazio. Queste cicatrici sono le stringhe cosmiche: linee di energia infinitamente sottili e incredibilmente pesanti che si estendono attraverso il cosmo. Sebbene siano oggetti teorici predetti da molti modelli di fisica delle alte energie, non sono mai state osservate direttamente. Se esistessero, sarebbero gli oggetti più massicci dell'universo in relazione alle loro dimensioni, e il loro movimento creerebbe increspature nello spaziotempo, generando onde gravitazionali che potremmo un giorno rilevare.

Le caratteristiche più drammatiche di queste stringhe sono chiamate cuspidi. Mentre un anello di una stringa cosmica vibra e si torce sotto la propria tensione, ci sono momenti in cui una piccola sezione di essa accelera finché non raggiunge momentaneamente la velocità della luce. In questo preciso istante, la stringa agisce come un faro cosmico, proiettando un fascio potente e stretto di radiazione gravitazionale nello spazio. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questi impulsi sarebbero stati il modo più semplice per trovare le stringhe cosmiche, poiché il loro segnale è previsto essere incredibilmente forte e distinto. Tuttavia, questa immagine presupponeva che le stringhe si muovessero attraverso un vuoto perfetto e immutabile. In realtà, le stringhe sono così massicce che deformano lo spazio intorno a loro, e quello spazio deformato esercita una contropressione sulle stringhe, alterandone il moto. Questo articolo indaga esattamente come quella contropressione cambi la storia della cuspide.

Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo modo per simulare queste stringhe, permettendo di osservare l'evoluzione delle stringhe in modo continuo nel tempo, tenendo conto della loro stessa influenza gravitazionale. I metodi precedenti trattavano le stringhe come se si muovessero in linea retta per un intero ciclo di vibrazione prima che gli effetti della loro gravità venissero applicati come correzione. Questo nuovo approccio è più simile a una telecamera ad alta velocità che cattura ogni frazione di secondo del moto della stringa, inclusa la frazione di secondo in cui raggiunge la velocità della luce. Eseguendo queste simulazioni dettagliate, il team ha scoperto che le cuspidi non scompaiono. La stringa raggiunge ancora la velocità della luce, e la cuspide si forma ancora, proprio come prevedevano le vecchie teorie. L'evento drammatico sopravvive alla contropressione gravitazionale.

Tuttavia, il segnale che raggiunge un osservatore distante non è quello atteso. Sebbene la cuspide avvenga ancora sulla stringa, l'onda gravitazionale che essa emette è significativamente alterata. Il picco acuto, simile a un ago, nel segnale che gli scienziati speravano di vedere, viene smussato. Invece di un improvviso e violento picco, l'onda diventa più arrotondata. Questo effetto di smussamento introduce un limite a quanto può arrivare alta la frequenza del segnale. Per stringhe con una certa tensione, il segnale decade rapidamente sopra una specifica frequenza, tagliando di fatto la parte ad alta frequenza del suono. I ricercatori hanno scoperto che questa frequenza di taglio dipende dalla tensione della stringa; più la stringa è pesante, più bassa è la frequenza alla quale il segnale scompare.

Questa scoperta cambia le prospettive per il ritrovamento di questi oggetti cosmici. Le nuove simulazioni mostrano che per i rivelatori terrestri più sensibili attualmente in funzione, il segnale atteso da un impulso di cuspide è probabilmente troppo debole per essere visto, poiché la parte ad alta frequenza del segnale è stata soppressa. La parte "forte" dell'impulso su cui questi rilevatori fanno affidamento è scomparsa. La situazione è diversa per l'osservatorio spaziale pianificato, LISA. I ricercatori hanno calcolato che LISA potrebbe ancora essere in grado di rilevare questi impulsi, ma solo se le stringhe hanno una tensione entro un intervallo molto specifico. Se le stringhe sono troppo pesanti, il segnale viene tagliato prima di raggiungere la banda di frequenza del rilevatore; se sono troppo leggere, il segnale è semplicemente troppo debole per essere udito.

Il lavoro fornisce una visione più realistica di come si comportano le stringhe cosmiche, andando oltre i modelli idealizzati per includere il complesso feedback della loro stessa gravità. Il team ha confermato che l'energia persa dalle stringhe corrisponde alla quantità di energia prevista come irradiata sotto forma di onde gravitazionali, convalidando il loro nuovo metodo. Hanno anche dimostrato che lo smussamento del segnale è un risultato diretto del fatto che il moto della stringa viene leggermente rallentato dalla sua stessa gravità proprio mentre raggiunge la velocità della luce. Sebbene l'evento drammatico della cuspide avvenga ancora, la gravità stessa dell'universo agisce come un filtro, attenuando il segnale e rendendo la ricerca di questi relitti cosmici più impegnativa di quanto precedentemente ipotizzato. La caccia alle stringhe cosmiche continua, ma la mappa di dove guardare e cosa aspettarsi è stata ridisegnata.