宇宙の糸

宇宙ひもは、初期宇宙における対称性の破れを伴う相転移の際に、この対称性の破れに関連する真空多様体の位相が単連結でなかったときに形成された可能性がある仮説上の1次元の位相欠陥である。その存在は、1970年代に理論物理学者のトム・キブルによって初めて考えられた。 ^[1]

宇宙ひもの形成は、凝固する液体の結晶粒間に形成される欠陥や、水が凍って氷になるときに形成される亀裂にいくらか類似している。宇宙ひもの生成につながる相転移は、宇宙の進化の最も初期の瞬間、宇宙のインフレーション直後に発生した可能性が高く、初期宇宙の量子場理論とひも理論モデルの両方でかなり一般的な予測となっている。

宇宙ひもを持つ場の理論の典型的な例は、アーベルヒッグスモデルです。量子場の理論とひも理論の宇宙ひもは多くの共通する特性を持つと予想されますが、正確な区別特性を決定するにはさらなる研究が必要です。たとえば、F ひもは完全に量子力学的であり、古典的な定義はありませんが、場の理論の宇宙ひもはほぼ完全に古典的な方法で扱われています。

超弦理論では、宇宙弦の役割は、理論を摂動的に定義する基本弦（またはF弦）自体、弱-強双対性またはいわゆるS双対性によってF弦に関連付けられているD弦、または余分な時空次元に関連付けられたコンパクトサイクルに部分的に包まれて非コンパクト次元が1つだけ残る高次元のD、NS、またはMブレーンによって果たすことができます。^[2]

宇宙ひもは、もし存在するとすれば、その直径は陽子と同じ桁、つまり約 1 fmかそれ以下で、極めて細いものとなる。このスケールはどの宇宙論的スケールよりもずっと小さいため、これらのひもはゼロ幅近似、つまり南部-後藤近似で研究されることが多い。この仮定の下では、ひもは 1 次元の物体として動作し、南部-後藤作用に従う。これは、古典的には超弦理論のボゾン部門を定義するポリアコフ作用と同等である。

場の理論では、弦の幅は対称性を破る相転移のスケールによって決まります。弦理論では、弦の幅は (最も単純なケースでは) 基本的な弦のスケール、ワープ係数 (内部の 6 次元時空多様体の時空曲率に関連付けられている)、および/または内部コンパクト次元のサイズによって決まります。(弦理論では、相互作用の強さと時空の曲率に応じて、宇宙は 10 次元または 11 次元になります。)

弦は、角度の欠損を特徴とする時空におけるユークリッド幾何学からの幾何学的逸脱である。弦の外側を囲む円は、合計角度が 360° 未満になる。^[3]一般相対性理論によれば、このような幾何学的欠陥は張力状態にあり、質量として現れる。宇宙弦は極めて細いと考えられているが、密度が非常に高いため、重要な重力波源となる。長さ約 1 キロメートルの宇宙弦は、地球よりも質量が大きい可能性がある。

しかし、一般相対性理論では、まっすぐな弦の重力ポテンシャルは消滅すると予測されています。つまり、静止した周囲の物質には重力が働きません。まっすぐな宇宙弦の唯一の重力効果は、弦の反対側を通過する物質 (または光) の相対的な偏向です (純粋な位相効果)。閉じた宇宙弦は、より一般的な方法で重力を及ぼします。^{[説明が必要]}

宇宙の膨張中、宇宙ひもはループのネットワークを形成し、その重力が銀河超銀河団への物質の凝集の原因になったのではないかと過去には考えられていた。現在では、宇宙の構造形成に対する宇宙ひもの寄与は10%未満と計算されている。

宇宙ひもの標準モデルは、角度不足の幾何学的構造であり、そのため張力があり、したがって正の質量を持つ。1995年、ヴィッサー らは、宇宙ひもは理論的には角度過剰、つまり負の張力、したがって負の質量でも存在できると提案した。このようなエキゾチック物質ひもの安定性には問題があるが、彼らは、負の質量のひもが初期宇宙のワームホールに巻き付けられると、そのようなワームホールは十分に安定して現在も存在できると示唆した。^{[4] [5]}

（まっすぐな）宇宙ひもの外部形状は、埋め込み図で次のように視覚化できます。ひもに垂直な 2 次元面に注目すると、その形状は、角度 δ のくさび形を切り取って端を接着することで得られる円錐の形状です。角度の不足 δ は、ひもの張力（単位長さあたりの質量）と直線的に関係します。つまり、張力が大きいほど、円錐は急勾配になります。したがって、張力の特定の臨界値で δ は 2π に達し、円錐は円筒に縮退します。（この設定を視覚化するには、有限の厚さのひもを考える必要があります。）さらに大きい「超臨界」値では、δ は 2π を超え、（2 次元）外部形状は閉じて（コンパクトになり）、円錐の特異点で終わります。

しかし、この静的な形状は、超臨界の場合（亜臨界張力の場合とは異なり）不安定です。小さな摂動は、一定の割合で軸方向に拡大する動的時空につながります。2Dの外部は依然としてコンパクトですが、円錐状の特異点は回避でき、埋め込み図は成長する葉巻のようになります。さらに大きな張力（臨界値を約1.6倍超える）の場合、弦は半径方向に安定化できなくなります。^[6]

現実的な宇宙ひもの張力は臨界値より約6桁低いと予想され、したがって常に臨界未満である。しかし、インフレーション宇宙ひもの解は、ひもが6次元の塊の中で3次元の膜（私たちの宇宙に相当） に昇格される膜宇宙論の文脈では関連性があるかもしれない。

かつては、宇宙ひもの重力の影響が宇宙における物質の大規模な凝集に寄与していると考えられていましたが、銀河の調査や宇宙マイクロ波背景放射(CMB) の精密測定を通じて今日わかっていることはすべて、ランダムなガウス変動からの進化に当てはまります。したがって、これらの精密な観察は、宇宙ひもの重要な役割を排除する傾向があり、現在、宇宙ひもの CMB への寄与は 10% を超えないことがわかっています。

宇宙ひもの激しい振動は、一般的にカスプとキンクの形成につながります。これにより、ひもの一部が孤立したループに分離します。これらのループには寿命があり、主に重力放射によって減衰します。宇宙ひもからの最も強い信号につながるこの放射は、重力波観測所で検出できる可能性があります。重要な未解決の問題は、分離したループがどの程度反作用するか、または放射する宇宙ひもの初期状態を変えるかということです。このような反作用効果は、計算ではほとんど常に無視されており、桁数の推定においても重要であることが知られています。

宇宙ひもの直線部分による銀河の重力レンズ効果により、歪みのない同一の銀河画像が 2 つ生成される。2003 年、ミハイル・サジン率いるグループが、空に非常に接近した 2 つの一見同一の銀河を偶然発見したと報告し、宇宙ひもが発見されたとの推測につながった。 ^[7]しかし、 2005 年 1 月のハッブル宇宙望遠鏡による観測では、それらは同じ銀河の 2 つの画像ではなく、類似した銀河のペアであることが示された。^{[8] [9]}宇宙ひもは、宇宙マイクロ波背景放射の変動の類似した複製画像を生成するため、プランク サーベイヤーミッションで検出できると考えられていた。^[10]しかし、2013 年のプランク ミッションのデータ分析では、宇宙ひもの証拠は見つからなかった。^[11]

宇宙ひも理論を裏付ける証拠の 1 つは、Q0957+561A,Bと呼ばれる「二重クエーサー」の観測で認められた現象です。1979 年にデニス ウォルシュ、ボブ カースウェル、レイ ウェイマンによって最初に発見されたこのクエーサーの二重像は、このクエーサーと地球の間に位置する銀河によって生じています。この中間銀河の重力レンズ効果により、クエーサーの光は曲げられ、地球まで 2 つの異なる距離の経路をたどります。その結果、同じクエーサーの 2 つの像が、一方が他方より少し遅れて (約 417.1 日遅れて) 到着するのを見ることになります。しかし、ルドルフ シルト率いるハーバード スミソニアン天体物理学センターの天文学者チームがこのクエーサーを研究したところ、1994 年 9 月から 1995 年 7 月までの期間、2 つの像に時間的な遅れが見られなかったことがわかりました。 2つの画像の明るさの変化は、4回に分けて同時に起こった。シルトと彼のチームは、この観測の唯一の説明は、その期間中に地球とクエーサーの間を宇宙のひもが超高速で移動し、約100日の周期で振動していたということだと考えている。^[12]

2023年まで、宇宙ひものパラメータに関する最も敏感な境界は、パルサータイミングアレイデータによる重力波の非検出から得られました。^[13]パルサータイミングアレイによる重力波の最初の検出は2023年に確認されました。^{[14] [15]}地球上のレーザー干渉計重力波観測所（LIGO）と特に宇宙ベースの重力波検出器レーザー干渉計宇宙アンテナ（LISA）は重力波を探索し、関連する宇宙ひもの張力が小さすぎない限り、宇宙ひもの信号を検出できるほど感度が高い可能性があります。

弦理論の初期の頃、弦理論家と宇宙弦理論家は両方とも、超弦と宇宙弦の間に直接的なつながりはないと考えていました（これらの名前は、通常の弦との類推により独立に選ばれました）。宇宙弦が初期宇宙で生成される可能性は、1976年に量子場理論家トム・キブルによって初めて想定され、^[1]これがこの分野への最初の関心の高まりのきっかけとなりました。

1985年、第一次超弦革命の最中、エドワード・ウィッテンは、基本的な超弦が初期宇宙で生成され、マクロスケールにまで引き伸ばされた可能性について考察した。その場合（トム・キブルの命名法に従えば）宇宙超弦と呼ばれることになる。^{[16]彼は、超弦が生成されていたとしたら、マクロスケールに達する前に小さな弦に崩壊していたか（}タイプI超弦理論の場合）、弦が宇宙スケールに成長するのではなく、張力によって崩壊するように常にドメインウォールの境界として現れていたか（ヘテロティック超弦理論の文脈で）、またはプランクエネルギーに近い特性エネルギースケールを持っていたため宇宙のインフレーションの前に生成され、宇宙の膨張とともに希釈されて観測できなくなっていただろうと結論付けた。

初期の頃から、主に第二次超弦革命により、多くのことが変化しました。弦理論には、理論を摂動的に定義する基本弦に加えて、D弦などの1次元オブジェクトや、Dブレーン、NSブレーン、Mブレーンなどの高次元オブジェクトが含まれており、これらは部分的にコンパクトな内部時空次元に包まれ、1つの非コンパクトな次元に空間的に拡張されていることがわかっています。大きなコンパクト次元と大きなワープ係数の可能​​性により、プランクスケールよりもはるかに低い張力を持つ弦が可能になります。

さらに、発見されたさまざまな双対性は、実際には、これらすべての明らかに異なるタイプの弦は、パラメータ空間の異なる領域に現れる同じオブジェクトであるという結論を示しています。これらの新しい展開により、2000 年代初頭から宇宙弦への関心が大きく復活しました。

2002年、ヘンリー・タイと共同研究者は、ブレーンインフレーションの最終段階で宇宙超弦が生成されることを予測した^[17]。これは、膨張宇宙と宇宙インフレーションにつながる初期宇宙の弦理論構築である。その後、弦理論家ジョセフ・ポルチンスキーは、膨張宇宙が「基本」弦（超弦理論が考える種類）を銀河間サイズまで引き伸ばした可能性があることを認識した。このように引き伸ばされた弦は、古い「宇宙」弦の種類の多くの特性を示すため、古い計算が再び役立つようになる。理論家トム・キブルが述べているように、「弦理論の宇宙学者は、下草のいたるところに潜む宇宙弦を発見した」。宇宙弦を検出するための古い提案は、現在では超弦理論の調査に使用できる。

超弦、D弦、または前述の他の弦状物体が銀河間スケールにまで引き伸ばされると、重力波が放射され、LIGO や特に宇宙重力波実験 LISA などの実験を使用して検出できます。また、宇宙マイクロ波背景にわずかな不規則性を引き起こす可能性もあります。これはまだ検出できないほど微妙ですが、将来的には観測可能になる可能性があります。

ただし、これらの提案のほとんどは、適切な宇宙論的基礎 (弦、膜など) に依存しており、現在までにこれらの説得力のある実験的検証は確認されていないことに注意してください。それでも、宇宙弦は弦理論を理解するための窓口となります。宇宙弦が観測されれば (これは、さまざまな宇宙弦モデルで実際に起こり得ることです)、時空構造の基礎となる弦理論モデルの最初の実験的証拠となります。

宇宙ひもネットワークの痕跡を検出しようとする試みは数多くある。^{[18] [19] [20]}

1986年、ジョン・G・クレイマーは、磁気コイルを搭載した宇宙船が、磁気浮上式鉄道が線路に沿って移動するのと同様に、宇宙ひもに沿って移動できると提案した。^[21]

• 0次元の位相欠陥：磁気単極子
• 2次元のトポロジカル欠陥:ドメイン壁(例: 1次元のトポロジカル欠陥: 宇宙ひも)
• フェルミオン超伝導電流によって安定化された宇宙弦ループ：ヴォルトン

• 宇宙弦の芸術的視点
• 宇宙ひものシミュレーション
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• arxiv.org の宇宙ひもと超ひも