Evolution of Cosmic String Loops under Gravitational Backreaction

Nos momentos mais primordiais do universo, uma fração de segundo após o Big Bang, as forças fundamentais da natureza podem ter se separado umas das outras em um processo conhecido como quebra de simetria. Este evento, muito parecido com a água congelando em gelo, poderia ter deixado cicatrizes permanentes no próprio tecido do espaço. Essas cicatrizes são cordas cósmicas: linhas de energia infinitamente finas e incrivelmente pesadas que se estendem pelo cosmos. Embora sejam objetos teóricos previstos por muitos modelos de física de alta energia, elas nunca foram observadas diretamente. Se existirem, seriam os objetos mais massivos do universo em relação ao seu tamanho, e seu movimento criaria ondulações no espaço-tempo, gerando ondas gravitacionais que poderemos um dia detectar.

As características mais dramáticas dessas cordas são chamadas de cúspides. À medida que um laço de uma corda cósmica vibra e torce sob sua própria tensão, ocorrem momentos em que uma pequena seção dela acelera até atingir momentaneamente a velocidade da luz. Nesse instante preciso, a corda age como um farol cósmico, disparando um feixe poderoso e estreito de radiação gravitacional pelo espaço. Durante décadas, os cientistas acreditaram que esses surtos seriam a maneira mais fácil de encontrar cordas cósmicas, pois seu sinal é previsto como sendo incrivelmente forte e distinto. No entanto, essa imagem assumia que as cordas se moviam através de um vazio perfeito e imutável. Na realidade, as cordas são tão massivas que deformam o espaço ao seu redor, e esse espaço deformado empurra de volta as cordas, alterando seu movimento. Este artigo investiga exatamente como esse empurrão de volta altera a história da cúspide.

Uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma nova maneira de simular essas cordas, permitindo observar a evolução contínua das cordas no tempo enquanto leva em conta sua própria influência gravitacional. Métodos anteriores tratavam as cordas como se elas se movessem em linha reta durante um ciclo completo de vibração antes que os efeitos de sua gravidade fossem aplicados como uma correção. Esta nova abordagem é mais parecida com uma câmera de alta velocidade que captura cada fração de segundo do movimento da corda, incluindo o milésimo de segundo em que ela atinge a velocidade da luz. Ao executar essas simulações detalhadas, a equipe descobriu que as cúspides não desaparecem. A corda ainda atinge a velocidade da luz, e a cúspide ainda se forma, exatamente como as antigas teorias previam. O evento dramático sobrevive ao empurrão gravitacional.

No entanto, o sinal que chega a um observador distante não é o esperado. Embora a cúspide ainda ocorra na corda em si, a onda gravitacional que ela envia é significada e significativamente alterada. O pico agudo, semelhante a uma agulha, no sinal que os cientistas esperavam ver é suavizado. Em vez de um surto súbito e violento, a onda torna-se mais arredondada. Esse efeito de suavização introduz um limite para quão alta a frequência do sinal pode chegar. Para cordas com uma certa quantidade de tensão, o sinal cai rapidamente acima de uma frequência específica, cortando efetivamente a parte de tom mais agudo do som. Os pesquisadores descobriram que essa frequência de corte depende da tensão da corda; quanto mais pesada a corda, menor é a frequência na qual o sinal desaparece.

Esta descoberta muda a perspectiva de encontrar esses objetos cósmicos. As novas simulações mostram que, para os detectores terrestres mais sensíveis atualmente em operação, o sinal esperado de um surto de cúspide é provavelmente fraco demais para ser visto porque a parte de alta frequência do sinal foi suprimida. A parte "alta" do surto, na qual esses detectores confiam, desapareceu. A situação é diferente para o observatório espacial planejado, o LISA. Os pesquisadores calcularam que o LISA ainda poderá detectar esses surtos, mas apenas se as cordas tiverem uma tensão dentro de uma faixa muito específica. Se as cordas forem muito pesadas, o sinal é cortado antes de atingir a banda de frequência do detector; se forem muito leves, o sinal é simplesmente fraco demais para ser ouvido.

O trabalho fornece uma visão mais realista de como as cordas cósmicas se comportam, indo além de modelos idealizados para incluir o complexo feedback de sua própria gravidade. A equipe confirmou que a energia perdida pelas cordas corresponde à quantidade de energia prevista para ser irradiada como ondas gravitacionais, validando seu novo método. Eles também mostraram que o suavizamento do sinal é um resultado direto do movimento da corda sendo ligeiramente retardado por sua própria gravidade justamente quando atinge a velocidade da luz. Embora o dramático evento da cúspide ainda ocorra, a própria gravidade do universo atua como um filtro, amortecendo o sinal e tornando a busca por esses relíquias cósmicas mais desafiadora do que se pensava anteriormente. A caçada às cordas cósmicas continua, mas o mapa de onde procurar e o que esperar foi redesenhado.