Defektu topologiko kosmologikoak

Joanes Lizarraga eta Jon Urrestilla

Kosmologoek Unibertsoa nola hasi eta nola hazi zen aztertzen dugu. Horretarako hainbat tresna erabiltzen ditugu: alde batetik, teoria-tresnak ditugu, fisikaren oinarrizko legeak: partikulen fisikaren eredu estandarra eta erlatibitatearen teoria orokorra. Beste alde batetik, ordenagailuen bidezko simulazioak behar ditugu fisikaren oinarrizko legeak erabiliz zenbait prozesu deskribatzeko eta fenomenoak aurresatekoa. Gaur egun oso kalkulu gutxi egin daitezke papera eta arkatza erabiliz. Esperimentuak ere guztiz beharrezkoak dira unibertsoa behatzeko eta ulertzeko.

Nazioarteko fisikari eta ingeniari talde handien lankidetzaren ondorio modura iritsi dira esperimentu horiek, oso korapilatsuak direnak eta diru-iturri oparoak behar dituztenak. Hori dela eta, kontuan har bedi adibidez LHC esperimentua, partikulen fisika aztertzeko erabiltzen dena, edo Planck esperimentua, unibertso gazteko informazioa lortzeko erabiltzen dena; hor dugu era berean LIGO esperimentua, grabitazio-uhinak neurtzeko erabili dena. Azkenik, estatistikako tresnak behar ditugu esperimentuetatik jasotako datuak ordenagailuan eginiko zenbakizko simulazioek emaniko iragarpenekin konparatzeko.

Unibertsoa nola hasi eta nola hazi zen galdetzean, denok dugu buruan Unibertsoa Big Bang izenekoarekin batera jaio zela, eta jaiotzean oso txikia zela eta tenperatura oso handia zuela. Harrezkero, hazten eta hozten joan da, gaur egun dugun unibertsoa eratu arte. Oso txukun geratzen da unibertsoaren historia horrelako esaldi motz batean laburtzea, eta egia esan, prozesu honetako hainbat urrats nahiko ezagunak dira.

Hala ere, erantzun gabe daude oraindik funtsezko galdera batzuk. Oso ondo ezagutzen dugu, adibidez, unibertsoaren historia hurbilean gertatutakoa. Izan ere, historia hurbilean gertatutako prozesuen baldintzak Lurreko laborategietan aztertu eta errepika ditzakegu, eta beraz, zuzenean jasotzen dugu prozesu horien berri. Ez ditugu ordea hain ondo ezagutzen unibertsoaren historia urruneko fenomenoak, eta unibertsoa gaztea zen garaikoak, ezin baititugu prozesu horiek zuzenean Lurreko laborategietan errepikatu; ezin ditugu hasierako unibertsoko tenperaturak lortu gure laborategietan.

Unibertso gaztean gertatutako fenomenoen informazio zuzena lortzea oso lagungarria izango litzateke; hau da, norbaitek unibertso gaztearen argazki bat emango baligu, edo unibertso gazteko zatitxo bat kutxa batean sartu eta gure laborategira ekarriko balu, zuzenean aztertuko genuke unibertso gaztea eta bertan jazotako fenomenoak.

Bada, badago horrelakorik: fisikariok uste dugu unibertso gazte oso berotik gaur egungo unibertso zaharrago eta hotzagora iristeko, fase-trantsizioak gertatu zirela bidean. Fase-trantsizio bat da, adibidez, tenperatura jaitsita ur likidoa izotz bihurtzea. Azken batean, ura dira bai ur likidoa, eta bai izotza ere, baina hala ere propietate desberdinak dituzte. Hala, unibertso gaztea zahartzen joan zen heinean, horrelako antzeko fase-trantsizioak gertatu zirela uste dugu.

Gainera, gerta daiteke fase-trantsizio horietan ur guztia izotz bihurtzea (argi utzi nahi genuke hau analogia bat dela. Unibertso gaztean ez zegoen ez urik, ez beste inolako molekularik ere…. oraindik atomoak ere ez ziren eratu!), baizik eta ur errekatxo batzuk geratzea izotzetan. Hau da, fase berrian (izotzean) fase zaharreko (ur likidoko) ingurune batzuk iraun zutela. Unibertsoan ere baliteke fase-trantsizioa toki guztietan berdin gauzatu ez izana, fase zaharreko ingurune horiei defektu deitzen zaie; gure kasuan, defektu kosmologikoak (berez, defektu topologiko kosmologikoak, baina topologia zer den beste batean kontatuko dugu).

Zenbait defektu mota daude, baina gehien ikertu direnak “soka kosmikoak” dira, soka itxura dutenak alegia. Oso ezaugarri bereziak dituzte: atomo baten zabalera baino txikiagoak dira, oso luzeak dira (unibertso osoan zehar zabaltzen dira), eta izugarrizko masa dute: soka kilometro batek Lurrak bezainbesteko masa eduki lezake. Gainera, hainbat eredutan, behin eratuz gero soka ez da desagertzen. Beraz, gure unibertsoan, horrelako sokak egon daitezke dantzan, eta horrelako bat aurkituz gero “ura” ikusiko genuke zuzenean, hau da, fase zaharreko zatitxo bat edukiko genuke gure artean.

Zoritxarrez (edo zorionez, zeren eta soken propietateak direla eta, ondorio katastrofikoak ekar ditzake horrelako batekin topatzeak), oso zaila da horrelako soka bat aurkitzea gaur egun. Unibertso gaztea horrelako sokez beteta egon liteke (teoriako ereduen arabera), baina unibertsoa haziz joan den heinean heinean, soka-dentsitatea jaitsi egiten da eta gaur egun, gure unibertso behagarrian, dozena erdi soka baino ez leudeke. Ondorioz, oso probabilitate gutxiko gertaera da dauden horiek guregandik gertu egotea.

Fase zaharra aztertzeko aukera galdu al dugu? Zuzenean aztertzekoa bai, baina zeharkako efektuak neur ditzakegu. Eta noiz izango zuten sokek zeharkako efektu handiena? Soka-dentsitatea altua zen garaian: unibertso gaztean beraz!

Noski, ezin dugu unibertso gaztea zuzenean behatu, eta ez dakigu bertan gertatutako fenomenoen fisika zein den, baina hori da ikertu nahi duguna. Prozedura, orduan, honakoa da: fisikaren legeak erabiliz, ordenagailuaren bidez unibertso gazteko fenomenoak simulatzen ditugu; simulazioetatik, bertako egoerek gaur egun eduki ditzaketen efektuak ondorioztatzen dira; esperimentuen bidez egiaztatzen dira ondorio horiek.

Gerta daiteke efektu horien ondorioak argi eta garbi aurkitzea esperimentuetan, eta ondorioz, unibertso gaztean sokak zeudela ondorioztatzea. Horrek zuzenean emango liguke unibertso gazteko prozesuen fisikaren berri. Gerta liteke era berean efektuen ondorioak argi eta garbi ez egotea esperimentuetan, eta ondorioz, unibertso gaztean sokak ez zeudela ondorioztatzea. Horrek ere zuzenean emango liguke unibertso gazteko prozesuen fisikaren berri (eta halaber, sokak aurresaten dituzten ereduak oker leudeke). Gerta daiteke halaber erantzun garbirik ez egotea: badirudi esperimentuko datuek ez dituztela sokak ikusten, baina ez gaude guztiz ziur oraindik. Kasu horietan, hobetu egin beharko dira esperimentuak eta teoria (zenbakizko simulazioak barne).

Soka kosmikoak sor ditzaketen hainbat fenomenoren artean bi dira nagusiki aztertu direnak (eta batik bat, gure unibertsitatean jorratu direnak): CMB Cosmic Microwave Background izenekoaren anisotropiak, hau da, mikrouhinen hondo kosmikoaren anisotropiak, eta grabitazio-uhinak.

CMBren kasuan, esperimentu asko egin dira anisotropiak neurtzeko. Azkenetakoa, arestian aipatutako Planck satelitea izan da. Laburrean CMBa unibertso gaztearen argazki baten antzekoa da. Unibertsoaren tenperaturaren argazki bat da, eta 3. irudiak erakusten duen moduan eremu batzuetan beroagoa (gorriz) eta besteetan hotzagoa (urdina) ageri da.

Gorabehera horien tamaina, banaketa estatistikoa etab. dira teoriatik iragarri daitezkeenak eta esperimentuekin alderatu. Gure fakultateko kideak munduan zeharreko ikertzaileekin elkarlanean aritu dira, lan-sokek aurresaten duten CMBko anisotropiak aztertzen. Gaur egungo datuen arabera, ez dira sokak ikusi CMBn, baina oraindik ez daude guztiz baztertuak. Erronka garrantzitsu bat dugu oraindik CMBren ikerketaren inguruan: B-mode delako polarizazioaren neurketa. Polarizazio mota hau neurtzeak zintzilik dauden hainbat galdera erantzungo lituzke.

Grabitazio-uhinaren kasuan aldiz, alde esperimentala oso berria da. Orain dela pare bat urte neurtu ziren grabitazio-uhinak lehen aldiz LIGO esperimentuan.

Soka kosmikoek grabitazio-uhinak igortzen dituzte, eta gure fakultateko kideek sokek igortzen dituzten uhinak aztertu dituzte urteetan zehar. Sokek igortzen dituzten uhinak neurtzeko, hala ere, esperimentu berriak beharko ditugu, hurrengo hamarkadan espazioan kokatuko den LISAren modukoak.

Datozen urteetan ikusiko dugu beraz esperimentuak soken ondorioak edo defektuen ondorioak behatzen dituzten, eta hala bada, zuzenean ikusiko dugu nolakoa zen unibertso gaztea.

Erreferentzia bibliografikoak

• Daverio, D., Hindmarsh, M., Kunz, M., Lizarraga, J., eta Urrestilla, J., (2016). Energy-momentum correlations for Abelian Higgs cosmic strings. Physical Review D, 93(8), 085014. DOI: 10.1103/PhysRevD.93.085014
• Lizarraga, J., Urrestilla, J., Daverio, D., Hindmarsh, M., eta Kunz, M., (2016). New CMB constraints for Abelian Higgs cosmic strings. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2016(10), 042. DOI: 10.1088/1475-7516/2016/10/042
• Planck Collaboration, (2016). Planck 2015 Results. XIII. Cosmological Parameters. Astronomy & Astrophysics, 594, A13. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201525830
• Figueroa, Daniel G., Hindmarsh, Mark eta Urrestilla, Jon (2013). Exact Scale-Invariant Background of Gravitational Waves from Cosmic Defect, Physical Review Letters, 110(10), 101302. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.101302
• Blanco-Pillado, Jose J., Olum, Ken D., eta Shlaer, Benjamin (2011). Large parallel cosmic string simulations: New results on loop production. Physical Review D, 83(8), 083514. DOI: 10.1103/PhysRevD.83.083514
• Vilenkin, A., eta Shellard, E.P.S., (1994). Cosmic Strings and other Topological Defects, London, Cambridge University Press.

Egileez: Joanes Lizarraga eta Jon Urrestilla UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko Fisika Teorikoa Saileko ikertzaileak dira.