Esclatarà aviat l'estrella Betelgeuse com a supernova?

La flama de Betelgeuse s’apaga? Visible a simple vista, la brillantor del supergegant vermell que marca l’espatlla esquerra d’Orió ha disminuït contínuament des d’octubre. Què passa? S'aturarà?

Clic per engrandir.

Betelgeuse és una de les estrelles més brillants de les nits d' hivern. La seva brillantor marca l’espatlla esquerra del famós "caçador" Orió, una constel·lació que no s’escapa de la mirada dels curiosos que en aquests moments alcen els ulls al cel. Durant diverses setmanes, els que estem acostumats a veure tan brillant com la blava Rigel (el peu dret d’Orió) no ha parat d'empal·lidir, fins i tot fins al punt de brillar menys que Aldebaran, l’ull vermell de Taure. En pocs dies, va passar del 10è al 21è lloc de les estrelles més brillants.

Betelgeuse és una de les estrelles més brillants de les nits d' hivern. La seva brillantor marca l’espatlla esquerra del famós caçador Orió, una constel·lació que no s’escapa de la mirada dels curiosos que en aquests moments alcen els ulls al cel. Durant diverses setmanes, els que estem acostumats a veure-la tant brillant com la blava Rigel (el peu dret d’Orió) no ha parat d'empal·lidir, fins i tot fins al punt de brillar menys que Aldebaran, l’ull vermell de Taure. En pocs dies, va passar del 10è al 21è lloc de les estrelles més brillants.

De manera que, certament, els canvis de lluminositat d’aquest supergegant vermell no són nous, es coneix que Betelgeuse és una estrella variable amb gegants canvis d’humor, en particular erupcions, que poden velar-li la cara durant diversos dies i fer-la menys visible. Però aquesta vegada el seu característic resplendor ataronjat i vermell va assolir un nivell mai vist pels astrònoms en un segle. Aquest, la brillantor del qual pot assolir la magnitud 0,2 al màxim, va mostrar el 21 de desembre una magnitud superior a 1,4 (com més s'apropi el valor a 0, més brillant és l'objecte), el que l'acosta més a prop del seu veí, l'altre espatlla d’Orió, Bellatrix (de magnitud 1,6).

Clic per engrandir. Coincidència entre el punt calent de la zona polar de Betelgeuse
i un plomall de pèrdua de massa. La imatge central (matisos taronges) mostra la
superfície de l’estrella i la presència d’un punt calent. Els tons blaus indiquen la
presència de pols creada a partir del material expulsat per la estrella. © Pierre Kervella

Les palpitacions gegants de Betelgeuse

Naturalment, davant d'aquest debilitament més important de l'habitual, molts es pregunten: seran aquests els signes de la seva explosió cap a supernova?. Assistim als seus darrers dies? Sens dubte, es tractaria d’un espectacle extraordinari i indeleble, un d’aquells especialment que els astrofísics somien al màxim perquè aquest tipus d’esdeveniments és molt rar a la nostra Galàxia: el foc d’una supernova il·lumina la Via Làctia un cop per segle de mitjana. A més, passaria a prop de casa, a només 700 anys llum. Per tant, estaríem a primera fila de totes maneres, per estalviar-nos el cataclisme.

Betelgeuse, una estrella massiva, té una esperança de vida molt inferior a la d’estrelles petites com el Sol (15 vegades menys massiva). Nascut fa uns vuit milions d’anys, ja ha cremat la major part de les seves reserves de combustible i ara s'està a punt de la seva pèrdua; un col·lapse violent de les seves capes exteriors al seu cor, que es traduirà en la seva explosió a supernova. I això podria ocórrer aviat: d’aquí a 10.000 anys, un sospir a nivell còsmic. Ara per ara, el gegant (unes 1.000 vegades més que el radi del Sol) s’infla i es desinfla, passant d’un diàmetre equivalent a l’òrbita de Mart a la de Júpiter!.

Clic per engrandir. Vaig fotografiar diverses estrelles brillants properes per comparar-les
amb Betelgeuse el 20 de desembre. El vaig estimar en menys de mag 1. Es va utilitzar
la mateixa configuració per a totes i es van desenfocar per ressaltar-ne els colors.
Crèdit Steve Brown (via Twitter)

Per saber-ne més:

Recordeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. 

Al vídeo, les impressionants imatges del Telescopi Espacial Hubble il·lustren una part de l'esforç científic global per entendre com exploten les estrelles, quin efecte tenen en l'univers, i què poden dir-nos sobre els seus orígens i futur. Crèdit: Hubblecast.

La majoria de les estrelles a l'Univers són petites i insignificants, com el nostre Sol. Eventualment, s'esfumen i moren sense gaire dramatisme. Però unes poques il·luminen el cel quan moren, i en el procés, no només ens parlen de la vida de les estrelles: creen els maons de construcció de la vida, i ens ajuden a desentranyar tota la història de l'Univers. Aquestes són les estrelles que acaben les seves vides com supernoves, explosions que estan entre els esdeveniments més violents de l'Univers.

Ho he vist aquí.

La Teoria de Cordes. Una introducció detallada (i IV)

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics.

Partícules elementals i camps

Considera la força familiar de l'electromagnetisme. En el nivell més simple (aplicable a molts fenòmens a escales de distància quotidianes) està descrit per un "camp clàssic". En aquest marc, un imant exerceix una força sobre un altre imant atès que cada un d'ells és una font de camp electromagnètic, impregnant tot l'espai però fent-se més feble com més llunyana és la distància a la font. El camp no necessita d'un mitjà en què recolzar-se, i pot imaginar-se com una pertorbació del buit. Postular l'existència de tal camp, subjecte a les "equacions d'ona", explica, d'una forma unificada, tots els fenòmens associats a l'electricitat i magnetisme en un punt.

La Teoria de Camps de Electromagnetisme Clàssica col·lapsa a distàncies molt curtes, o en presència de camps molt forts. Això fa necessari assumir que aquest camp no és només un nombre en cada punt de l'espai i temps, sinó un "operador quàntic", que té propietats matemàtiques definides però bastant complicades. El camp quàntic es redueix al clàssic sota les circumstàncies habituals, però difereix notablement d'aquest en alguns règims de distància o energia.

En la Teoria Quàntica, un camp no és només una cosa associat a ones, sinó també relacionat amb les partícules per virtut de la ben coneguda dualitat ona-partícules. Una partícula elemental és un tipus d'excitació coherent d'un camp quàntic. Així doncs, el camp electromagnètic ha de ser associat a una partícula fonamental que es trobi en la natura. De fet, tal partícula existeix i se la coneix com "fotó". Una imatge intuïtiva d'una interacció electromagnètica, com és descrita per la Teoria Quàntica, és que el que fa de camp és intercanviat entre els objectes que interactuen. Així doncs, un parell d'imants, quan s'aproximen l'un a l'altre, intercanvien fotons, i és aquest intercanvi el que condueix la força entre ells. Es podria dir que l'existència del fotó està predita per l'existència d'interaccions electromagnètiques quàntiques.

Extraordinàriament, totes les interaccions que es necessiten per explicar la Química (i, fins on coneixem, la Biologia) són electromagnètiques per naturalesa. Els àtoms interactuen electromagnèticament per formar molècules i compostos. D'alguna manera, per tant, podríem afirmar que l'electromagnetisme (el qual està correctament descrit per la Teoria de Camps Quàntics) és una "Teoria Unificada de la Química". Això no redueix de cap manera la importància de la investigació química! De vegades, la Teoria Unificada subjacent no és l'eina més pràctica per respondre a les preguntes que els químics volen fer. Però tot i així és profundament satisfactori estar segurs que l'electromagnetisme és la teoria completa que en principi subjacent i unifica tots els fenòmens químics. Tindrem més a dir sobre la idea de Teoria Unificada en el que segueix. 

Com l'electromagnetisme, cada interacció fonamental ha de tenir la seva pròpia partícula intermediària. Precisament les tres altres classes d'interaccions fonamentals que coneixem. Una d'elles és la familiar força gravitatòria, mentre que les altres dues són forces nuclears que només van ser descobertes en aquest segle (referit al Segle XX, l'article és de 1999): les forces "nuclear forta" i la "nuclear feble". La primera és, en particular, responsable de mantenir units als protons i neutrons que conformen el nucli d'un àtom, mentre que la següent és una força totalment diferent i dóna lloc a fenòmens com la descomposició atòmica. La força feble és l'única que viola la simetria esquerra-dreta o paritat. La gravitació, com l'electromagnetisme, és una força de llarg abast, aquesta és la raó per la qual es coneixen des de fa temps. Les dues forces nuclears dèbils són de curt abast, i, per tant, no són observades comunament a les escales quotidianes.

Per tant, podem preguntar quina és la partícula elemental associada a cadascuna d'aquestes interaccions. Per a la gravitació, associem el "gravitó", una partícula que no ha estat observada directament però que es pensa que existeix. Per la força nuclear forta associem un conjunt de partícules anomenades "gluons" a causa de les seves propietats d'unió similars a la cola (de "glue", cola en anglès), i per la força nuclear feble associem un altre conjunt de partícules anomenades "bosons W i Z". Hi ha proves de pes per a l'existència dels gluons, mentre que els bosons W i Z produïts en els acceleradors s'han observat directament. Segons això, tenim llavors un resum de totes les forces fonamentals i els portadors d'aquesta força coneguts o que creiem que existeixen avui dia.

Les cinc teories de cordes

Els intents inicials per compactar aquestes cinc teories a 4 dimensions van afavorir fortament a la corda heterótica I (8) x E (8). Amb les cordes SO (32) (heterótica i de Tipus I) la violació de paritat natural en 10 dimensions sembla ser destruïda per compactació, per tant la teoria resultant en 4 dimensions podria no descriure el món real, en el qual hi ha violació de paritat. Això era també cert per a cordes del Tipus IIB. D'altra banda, la Teoria de Tipus IIA té ja conservació de la paritat en 10 dimensions, i pel que sabíem fins fa poc sobre compactació, aparentment no podria induir violació de paritat. El quadre modern és considerablement diferent. Les cinc Teories de Cordes estan en realitat connectades unes amb altres, per tant d'alguna manera, són diferents límits d'una mateixa teoria. Aquesta única teoria no s'entén encara perfectament, però pot portar-nos a una violació de paritat en 4 dimensions. Així doncs, el que una Teoria de Cordes compactifiqui depèn de la conveniència de cada un: efectes que són complexos d'estudiar en una formulació són molt més senzills en la teoria dual.

La dilació

Mereixen discussió algunes altres propietats de les Teories de Supercordes. Una d'elles és la que fa a la qüestió de l'acoblament constant de la teoria. Les Teories de Camp Quàntic normalment contenen un paràmetre ajustable el qual determina la força de les interaccions. En realitat, com vam veure en una secció prèvia, aquest paràmetre depèn de l'escala d'energia a la qual té lloc la interacció. Aquesta pot ser petita a algunes energies i gran en altres, per exemple en la Teories de Interaccions Fortes el paràmetre és gran a baixes energies, portant a un confinament permanent dels quarks dins de les partícules com protons i neutrons, mentre que és feble a altes energies, portant a un dibuix en què el els protons i neutrons es fabriquen per quarks pràcticament sense interacció. Aquest "flux" de l'acoblament amb l'escala d'energia és característic de la majoria de Teories de Camps Quàntics on tenen lloc infinits en el càlcul d'amplituds disperses. No obstant això, la Teoria de Supercordes està lliure d'infinits donat la naturalesa extensa de les cordes. D'aquesta manera s'esperaria que la Teoria de Cordes contingués un acoblament constant que és un nombre fix, el qual hem de determinar per comparació amb els experiments.

El que succeeix a la pràctica és bastant diferent. En lloc d'un acoblament constant, totes les Teories de Cordes tenen una partícula escalar que governa la força de les interaccions. Tècnicament, el camp associat a aquestes partícules pot tenir un valor constant definit en un "buit" donat de la teoria, i aquest valor actua com l'acoblament constant. Aquesta és una meravellosa propietat atès que suggereix que la força de les interaccions de les cordes podria d'alguna manera estar determinat de manera auto-consistent per la teoria a lligar d'una entrada experimental. Això podria potencialment contestar un profunda qüestió plantejada per Dirac i altres: en electrodinàmica, per què el que fa de la càrrega elèctrica té un valor aproximadament igual a l'arrel quadrada de, que es pot obtenir experimentalment? 

Al nostre actual nivell de coneixement, encara que sabem que la dilació és present en totes les Teories de Cordes i que determina la força d'interacció, encara no sabem com determinar el valor que pren el camp en el buit. És més, a causa de la supersimetria, el valor sembla ser indeterminat i pot ser qualsevol que vulguem, la qual cosa és gairebé com prendre un paràmetre numèric lliure en la teoria. No obstant això, a baixes energies, esperem que la supersimetria es trenqui. En aquesta situació, el valor del buit per a la dilació podria quedar determinat. Comprendre això és un dels objectius que els teòrics de cordes esperen aconseguir en el futur.

 Camps Gauge de Tensors

Esmentem que les Teories de Cordes de Tipus II tenen exòtics "camps gauge de tensors" el paper va ser misteriós durant molt de temps. Tot i que el paper de tals camps no s'aclarirà en el present article, és important per comprendre la dualitat de cordes. Aquí ens centrarem en un camp tensor en particular el qual està present en realitat -encara que no ho hàgim esmentat fins ara- en les cinc Teories de Cordes. Aquest és l'anomenat "camp tensor de segon ordre", el qual és com un fotó però amb un índex de vector extra sota transformacions de Lorentz. Sota transformacions de Lorentz, el fotó (indicat com A) es transforma com un vector, diferent de camp tensor (indicat com B) que és ubic en la Teoria de Cordes, el qual es transforma com el producte de dos vectors, d'aquí que es conegui com "tensor de segon ordre". La pregunta que volem fer és bastant simple: així com una partícula puntual (com l'electró) pot carregar-se sota el camp d'un fotó, hi ha algun objecte dinàmic en la Teoria de Cordes que estigui "carregat" sota B? Això és important, ja que tal càrrega pot ajudar a dotar un objecte d'estabilitat. A la vida real, els electrons són estables a causa de que transporten la mínima unitat de càrrega elèctrica i són els objectes carregats de tal tipus més lleugers. A causa de la conservació de la càrrega, no hi ha, a més, res en el que puguin decaure! Atès que B està present en totes les Teories de Cordes, es podria sospitar que aquesta també està dotada d'algun encara apropiat objecte dinàmic carregat amb aquesta propietat d'estabilitat. 

La resposta resulta ser meravellosament simple: els objectes que porten càrregues sota un camp tensor de segon ordre són cordes. Així és, en totes les Teories de Cordes Tancades (tipus IIA, IIB i les dues cordes heteròtiques) les cordes fonamentals porten càrregues unitàries sota B i això a més es garanteix que és estable.

L'argument que porta a aquesta conclusió és bastant simple. En la mecànica quàntica, una partícula carregada té un terme acoblat EA integrat al llarg de la trajectòria (anomenada "línia del món" en teories relativistes) de la partícula. Aquí, i és el que fa de càrrega elèctrica, i pot escollir-se que sigui 1 en les unitats adequades. En la Teoria de Cordes Tancades, es troba que les cordes fonamentals tenen una interacció anàloga que consisteix a B integrat sobre la seva trajectòria, la qual cosa és bidimensional donat que la corda mateixa té una extensió espacial i es propaga en el temps. Aquesta interacció ens diu que la corda fonamental porta la unitat de càrrega sota aquest camp gauge de tensors i que a més és estable. La situació és més delicada per Teories de Cordes Obertes, per tant no les tractarem aquí.

Condicions de frontera per a cordes obertes

La propietat final de la Teoria de Cordes de 10 dimensions que volem discutir aquí són les condicions de frontera a les cordes obertes. Al contrari que en les cordes tancades, les cordes obertes tenen extrems, i això significa que al definir la configuració espacial de la corda, hem de definir les condicions de frontera en aquests extrems. L'elecció més natural seria permetre que aquests extrems es localitzessin en qualsevol punt de l'espai. En efecte, aquesta és l'única opció compatible amb la invariància de translació i la invariància de Lorentz en 10 dimensions. Si "ancorem" aquests extrems d'alguna manera, distingiríem alguna de les 9 dimensions espacials d'altres. Matemàticament, les condicions de frontera que permeten que els extrems d'una corda estigui localitzada en qualsevol punt de l'espai, i així doncs satisfer la invariància de Lorentz, són anomenades condicions de frontera de Neumann, conegut per l'estudi d'equacions diferencials en espais amb frontera. Les alternatives condicions de frontera de Dirichlet, les quals restringeixen als extrems de les cordes a caure en superfícies definides de l'espai, són clarament incompatibles amb la invariància de translació i de Lorentz, i poden mantenir-major part d'aquestes invariàncies.

No obstant això, les condicions de frontera de Neumann (les quals durant molt de temps van ser considerades com les úniques raonables per a cordes obertes) van resultar ser massa restrictives i perdien alguns profunds fenòmens dinàmics de la Teoria de Cordes. La raó és la següent. Considera una Teoria de Camp Quàntic ordinària de partícules puntuals. Encara que la teoria subjacent té invariància de translació i de Lorentz, els estats individuals de la teoria no la tenen. Per exemple, encara que l'estat de buit d'aquesta teoria és invariant en translació, la teoria també té estats de partícules úniques i de partícules múltiples en el seu espectre. Aquests estats involucren partícules localitzades en posicions fixes (per exemple, imagina l'estat d'una partícula individual en repòs en un punt definit). No és sorprenent que aquest estat trenqui la invariància de translació.

A més es podria imaginar que si assignem condicions de frontera per a cordes obertes que violin les invariàncies de translació i de Lorentz, obtenim un estat definit de la teoria, diferent de l'estat de buit. Això resulta ser cert, i té una varietat de conseqüències profundes i meravelloses. Suposa com en el primer exemple, que assignem condicions de frontera de Dirichlet als extrems d'una corda oberta, al llarg de les 9 coordenades espacials (x1, x2, ..., x9). Això limita a l'extrem de la corda a caure en una posició de l'espai, mentre la resta de la corda és lliure de fluctuar. Per exemple, podem restringir l'extrem a caure en l'origen d'algun sistema de coordenades. Llavors aquests punts es converteixen en "especials", i efectivament es comporta com una partícula puntual. Per exemple, trenca les invariànces de translació i de Lorentz exactament de la mateixa manera que ho faria un estat de partícula puntual és una teoria de camp de 10 dimensions. Però aquest estat no és una de les excitacions similars a les partícules puntuals d'una corda tancada que hem discutit! És més aviat al contrari, és un objecte definit per la propietat de que les cordes obertes acaben en ell. D'això resulta que es pot assignar una massa i càrrega definida a tal objecte, i que aquest es comporta just com una partícula elemental. Aquesta és la comunament anomenada "partícula D", on la "D" és un recordatori que sorgeix assignant condicions de frontera de Dirichlet per als extrems de les cordes obertes.

Fins aquí hem discutit dues possibles condicions de frontera: Neumann a les 9 direccions, o Dirichlet en les 9 dimensions. Podem postular fàcilment un híbrid entre les dues, segons Neumann en 2 direccions i Dirichlet en les altres 7. Això correspon a una corda oberta que està "clavada" sobre una superfície espacial bidimensional. Llavors, igual que per la partícula D, estarem forçat a interpretar la superfície completa com a objecte dinàmic que s'estén en dues direccions espacials, conegut comunament com a membrana. A més, només assignant aquestes condicions de frontera, hem produït un estat quàntic de la Teoria de Cordes que s'estén en l'espai com una membrana. Un tema diferent és si la membrana és estable. Ho serà si està carregada sota algun camp gauge generalitzat, igual que la corda era estable a causa de la seva càrrega sota el camp de tensors de segon ordre. Efectivament, és senzill veure que una membrana pot estar carregada sota un camp de tensors de tercer ordre, a causa de que la trajectòria de la membrana té una superfície tridimensional en l'espai-temps. Això té lloc en la Teoria de cordes de tipus IIA, on en efecte, l'espectre conté un camp de tensors de tercer ordre. D'aquí que la Teoria de Cordes de tipus IIA no sigui només una teoria de partícules i cordes, sinó també de membranes.

Això es pot generalitzar fàcilment si assignem p condicions de frontera Neumann i 9-p Dirichlet. L'estat corresponent s'estén en p direccions espacials i és anomenat p-brana de Dirichlet, o Dp-brana per escurçar.

 Corda oberta acabant en una p-brana de Dirichlet

Aquest tipus d'objecte pot ser difícil de visualitzar en el nostre estret món de només 3 dimensions espacials, però té molt espai per propagar-se en 9 dimensions espacials!. Fins aquí veiem que les Teories de Cordes no són només Teories de Cordes. Contenen d'una forma molt natural, objectes estesos anomenats branes en el seu espectre. Nota que entre altres coses, les D-branes proveeixen una explicació del paper dels exòtics camps gauge de tensors en les Teories de Cordes de Tipus II: doten a les branes d'estabilitat.

En l'estudi de la Teoria de Cordes, les branes resulten ser tan importants com les cordes, de fet, es podria dir que una corda fonamental és només un tipus especial de p-brana amb p = 1. S'hauria de tenir cura, però , en adonar-se que la corda fonamental no és una brana de Dirichlet com l'hem definit. Està postulada des del principi, i no definida en termes sinó alguna cosa en el que acabar. Les branes de Dirichlet són especials precisament perquè estan definides a través de cordes fonamentals que acaben en elles. Això ens permet estudiar-les usant tècniques comunes de Teoria de Pertorbació de Cordes.

Compactació

Finalment, tornem a les relacions entre el món de 10 dimensions descrit a dalt, (amb 9 dimensions espacials i una temporal) i el món real de 4 dimensions en què habitem (3 dimensions espacials i una temporal). El requeriment clau és que les dimensions espacials amb les que vam començar no haurien de ser observables físicament. En l'esperit de Kaluza i Klein, hem d'assumir a més que 6 dimensions espacials estan "enrotllades" sobre si mateixes, mentre que les 3 restants s'estenen fins a l'infinit (o al menys a distàncies molt grans). El concepte d'"espai" està enquadrat en la noció de "varietat", cosa que localment sembla l'espai comú però pot tenir curvatures i altres propietats no trivials. En particular, una varietat que estigui "corbada" de la manera que desitgem es coneix com "compacte". Així doncs, la forma més senzilla de connectar la Teoria de Cordes amb el món real és postular que 6 dimensions espacials formen una varietat compacta, la grandària és tan petita que no som capaços de detectar la seva existència directament amb les investigacions disponibles.

Les investigacions teòriques d'aquest escenari de compactació han revelat una rica connexió amb la branca de les matemàtiques que coneixem com Geometria Algebraica. La connexió sembla haver estat útil en ambdues direccions, mentre que els resultats coneguts a les matemàtiques no ajuden a tenir major coneixement de les varietats que poden ser potencialment rellevants per a la Teoria de Cordes, la configuració de la Teoria de Cordes també va provar ser útil per extreure nous resultats matemàtics (no tenim temps per entrar en detalls). Una classe especial de varietat de 6 dimensions amb propietats molt especials, coneguda com a varietat de Calabi-Yau, va resultar tenir propietats que, quan s'usen com la varietat de compactació en Teoria de Cordes, ens porten a temptadores teories realistes en 4 dimensions espai-temporals. El contingut i dinàmica de la partícula detallada en una teoria de 4 dimensions depenen de l'elecció de la varietat de Calabi-Yau, per tant no és com si la varietat fos completament inobservable. De fet, d'aquesta manera nosaltres ens ho cuinem i ens ho mengem, la varietat de Calabi-Yau seria responsable del "zoo" de partícules elementals observades en el món real, però no seria observable directament com una col·lecció de dimensions espacials extra, alguna cosa bona atès que tals dimensions extra encara no han estat observades, fins ara.

Inicialment, la classe de teories més realista es va trobar es va trobar començant amb la corda heterótica I (8) x E (8) en 10 dimensions i compactant-la en una varietat de Calabi-Yau adequada. Per exemple, d'aquesta manera es poden recuperar les teories en 4 dimensions amb grups gauge prou grans com per incloure'ls en els grups SU (3), SU (2) i U (1) associats al model estàndard (i no gaire més portaria a interaccions addicionals no observades). La teoria de quatre dimensions viola la paritat, ja que la corda heterótica subjacent viola la paritat i el procés de compactació en aquest cas no elimina la violació de paritat. A més de les partícules gauge, hi ha partícules materials (fermions) que qualitativament tenen la classe adequada de "números quàntics" per ser identificats amb els fermions coneguts a la natura, com ara electrons, muons, neutrins, quarks, etc. I, per descomptat, tenim la gravetat en quatre dimensions, atès que les Teories de Cordes descriuen la gravetat en 10 dimensions i la compactació no destrueix aquesta propietat.

A un nivell ampli, aquesta és una prova convincent que estem sobre la pista correcta. No obstant això, es mantenen una varietat de problemes. Per exemple, per raons associades amb el problema jeràrquic endèmic en la gran unificació, les compactacions que han estat afavorides donen lloc a una Teoria supersimètrica en 4 dimensions. Però això encara deixa oberta la pregunta de com i per què es trenca la supersimetria a baixes energies per donar lloc al món aparentment no supersimètric en què vivim. A més d'això, les partícules elementals més lleugeres que sorgeixen d'oscil·lacions de cordes de fet no tenen prou en 10 dimensions, i aquestes donen lloc a una multitud de partícules exactament sense massa en 4 dimensions després de la compactació. Això contrasta de forma poc favorable amb la realitat, l'única partícula exactament sense massa al món, fins on coneixem, són els fotons i gravitons. L'electró del món real no té massa zero, mentre que l'electró derivat de la corda (encara que té la càrrega apropiada així com altres nombre quàntics) és aparentment no massiu. Es creu que les masses per a aquestes partícules apareixeran un cop es trenqui la supersimetria, però els detalls d'aquest procés estan lluny de comprendre.

Tot i que la compactació com esbossem abans, roman com un important mecanisme per extreure la física del món real de la Teoria de Cordes, és notable assenyalar que alguns altres mecanismes s'han proposat només en els últims tres o quatre anys, sobre com extreure el contingut del model estàndard de la Teoria de Cordes. Algunes d'aquestes noves idees diuen superar el problema jeràrquic i altres problemes associats a la compactació convencional que apuntem de manera aproximada més amunt. No obstant això, encara no ens hem decidit sobre aquests competidors, i per tant ara no és el moment més adequat per revisar aquestes noves idees. En dos o tres anys hauria d'estar molt més clar si està clar o no un escenari detallada, consistent i tractable per connectar la Teoria de Cordes amb el món real.

Un problema íntimament relacionat en la connexió de la Teoria de Cordes amb la natura és el problema de la "constant cosmològica". La Teoria de la Gravetat admet un paràmetre que a grans trets descriu l'energia total del buit. La presència de aquest paràmetre tindria conseqüències observables espectaculars i afectaria la raó de l'expansió de l'Univers. Això ens permet posar un límit molt estricte al valor real el paràmetre a partir d'experiments. Com una Teoria de la Gravetat fonamental, la Teoria de Cordes hauria de predir el valor d'aquest paràmetre,  però en lloc d'això, ens diu alguna cosa bastant insatisfactori sobre ell.

En la Teoria de Supercordes, mentre que no es trenqui la supersimetria, la constant cosmològica és exactament zero a causa de la cancel·lació produïda pels bosons i fermions. S'ha pensat durant molt temps que això era consistent amb els experiments (recentment s'ha suggerit que, en efecte, el paràmetre ha de ser diferent de zero però extremadament petit). Però el problema és que la supersimetria es trenca en el món real, i després de la ruptura de la supersimetria la constant cosmològica pren generalment un valor diferent de zero i extremadament gran, aproximadament 100 ordres de magnitud per sobre del límit experimental!. Això és un altre problema jeràrquic. El problema no és específic de la Teoria de Cordes, sinó més bé, està en la Teoria de Cordes, com el primer candidat seriós per a una Teoria de la Gravetat Quàntica, de la qual esperem una solució correcta, i que encara no ha arribat, tot i que de nou, hi ha una gran quantitat de noves idees en els últims anys.

Conclusions importants

Hi ha hagut una investigació qualitativa d'algunes característiques elementals de la Teoria de Cordes. S'ha focalitzat durant molt de temps en les propietats que s'han conegut durant una dècada, i les quals són descrites com "Teoria perturbativa de Cordes". Malgrat això, des de 1994, han tingut lloc importants avanços en la Teoria de Cordes no-perturbativa.

La física no-perturbativa és l'estudi dels efectes físics que no poden descriure en termes d'ordre a ordre o de petits acoblaments constants. Un efecte no perturbatiu típic és la unió de dues partícules, per exemple un electró i un positró, per formar una nova partícula, en aquest cas el positroni. Per a una força d'interacció zero no hauria unió, la qual cosa és físicament molt diferent de la valor real on la unió és possible. Això significa, com hauria de ser obvi, que no es pot aproximar un estat de frontera en termes de partícules sense frontera. L'absència de coneixement sobre els efectes no pertorbatius en la física teòrica vol dir que la teoria, fins i tot si és correcta, està seriosament incompleta i no pot ser usada per a estudiar fenòmens importants que és el que s'intenta descriure.

Amb la present formulació de la Teoria de Cordes (comparada amb la Teoria de Camps Quàntics) estem en aquest cas. Tot i que no hem superat aquesta seriosa incompletesa, una nova aproximació a la Teoria de Cordes ens ha ajudat a fer importants incursions en el territori no perturbatiu. La tècnica clau ha estat fer servir consistència interna i triar simulacions com a evidències per afirmar la veritat de certes conjectures sobre l'estructura no pertorbativa. Aquesta aproximació ha destapat el paper de noves simetries anomenades "dualitats" en la Teoria de Cordes.


Bibliografia Per un article introductori com aquest, és apropiat citar només uns pocs llibres clau més que els articles d'investigació originals. El lector comú es beneficiarà dels capítols introductoris d'aquests llibres, mentre que els lectors més avançats trobaran una llista de referències tècniques en ells.
* "Superstring Theory", MB Green, JH Schwarz and E. Witten, Cambridge University Press (1987).
* "String Theory", J. Polchinski, Cambridge University Press (1998).
* "Gauge Fields and Strings", AM Polyakov, Harwood Academic, 1987.
* "Lectures on String Theory", Sr. Lust and S. Theisen, Springer-Verlag, 1989 (Lecture Notes in Physics, 346).
* "Introduction to Superstring Theory", I. Kiritsis, Leuven Univ. Press, 1998 (Leuven Notes in de Matemàtiques and Theoretical Physics, Vol. 9).

Sobre l'autor:

Sunil Mukhi va néixer a Bombai l'any 1956. És membre de l'Institut Tata per a Investigació Fonamental a Mumbai, Índia, al Departament de Física Teòrica. Les seves investigacions tracten sobre les partícules elementals de la física, més específicament Teoria de Camps Quàntics i Teoria de Cordes.

Anar al capítol 3.
Anar al capítol 1

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit

Catàleg Charles Messier. Objecte M68

Clic per engrandir. Aquesta imatge del Hubble del nucli de M68 es va crear utilitzant
observacions en longituds d'ona de llum visible i infraroja. Crèdit Hubble. NASA/ESA

Descobert el 1780 per Charles Messier.

Aquest cúmul globular de magnitud 7,8 es troba a una distància d'uns 33.000 anys llum, i els seus components estan escampats per un volum d'uns 106 anys llum de diàmetre. Té com a mínim 42 estrelles variables conegudes. Harlow Shapley ja ha descobert 28 d'aquestes anomenades "Variables de clúster" (estrelles RR Lyrae), una de les quals (la núm 27) s'ha demostrat posteriorment que no era membre del cúmul globular (Greenstein, Bidelman i Popper, 1947). Shapley va donar també l'excentricitat d'aquest cúmul com 9 el 1930, mentre que el 1949 el va descriure com rodó, tenint en compte les seves 2.000 estrelles més brillants. En els telescopis d'aficionats es mostra avui en dia com rodó, encara que alguns observadors (incloent a John Malles) el perceben com oval.

Els anteriors catàlegs oferien sistemàticament menors magnituds visuals, probablement perquè aquest cúmul globular de sud estava sent examinat per observadors de nord: Helen Sawyer Hogg li dóna una magnitud de 9,12, Malles/Kreimer donen 8, Becvar, Kenneth Glyn Jones i el Sky Catalogue 2000, una magnitud de 8,2. La nova Deep Sky Field Guide to Uranometria 2000 dóna una magnitud de 7,7, i en la seva segona edició, una brillantor visual aparent total de 7,3.

Segons Kenneth Glyn Jones, M68 conté unes 250 estrelles gegants de magnitud absoluta superior a 0, al voltant de la meitat de M3 o de M13. La seva estrella més brillant és de magnitud 12,6, mentre que el nivell de la branca horitzontal d'aquest cúmul globular és de magnitud 15,6, segons el Deep Sky Field Guide to Uranometria 2.000,0. Helen Sawyer Hogg ha trobat 25 estrelles més brillants que la magnitud 14,8, i cataloga el seu tipus espectral de conjunt com A6.

Les mesures temporals de M68 han variat: la primera determinació de Shapley va ser de 50.000 anys llum (15,5 kpc), mentre que Becvar dóna 37.500 anys llum (11,5 kpc), la mesura de TD Kinman és de 39.000 anys llum (12,0 kpc), i McCluere et.al (1937) van obtenir 36.000 anys llum (11'2 kpc). La mesura moderna de 33.300 anys llum és de la base de dades de cúmuls globulars galàctics de William E. Harris.

M68 s'aproxima a nosaltres a 112 km/seg.

La marca propera de baix a la dreta assenyala la variable FI Hydrae de tipus Mira, que no és membre del cúmul globular, que té un període d'uns 324 dies i pot arribar a ser fins de magnitud 9, de manera que l'aparença de camp varia considerablement.

M68 va ser descobert per Charles Messier el 9 d'abril de 1780. A causa d'algun error dubtós, Admiral Smyth va assignar el descobriment a Pierre Méchain, i, en els anys 60 de segle XX, Kenneth Glyn Jones va fer seva aquesta opinió, tot i el fet que això no és reconegut per Messier en la descripció del seu catàleg, com sí ho va fer de tots els veritables descobriments de Méchain. El descobriment és correctament atribuït a Messier, per exemple, pel NGC de Dreyer, per Helen B. Sawyer [Hogg] (1947) i per Burnham. Com la majoria dels cúmuls globulars de Messier, va ser descompost en estrelles per primera vegada per William Herschel en 1786.

Messier esmenta un estel de magnitud 6 en la seva descripció de M68, que actualment és un estel doble de magnitud 5,4: ADS 8612 (també catalogada com B320), A: mag. 5,4, B: mag. 12,2 en PA 152 graus i separació de 1.6" (en 1926).

Clic per engrandir. Crèdit: Google-SkyMap

M68 és bastant difícil de veure per als observadors de l'hemisferi nord a causa de la seva declinació austral. El poden trobar seguint una línia des de les estrelles Delta a Beta Corvi (de magnitud 3), que apunta cap ADS 8612, de magnitud 5,4, esmentada més amunt. Es localitza així fàcilment a M68 a uns 45 'a al NE d'aquest estel.

És un pegat feble amb binocles, les estrelles més brillants de M68 són percebudes per telescopis a partir de 4 polzades d'obertura i en bones condicions; aquests instruments mostren una taca nebulosa rodona i clapada amb un centre brillant que s'esvaeix gradualment cap a les seves vores. Un instrument de 6 polzades recull les parts exteriors d'aquest cúmul globular, un halo de 12' de diàmetre. Els telescopis majors mostren la seva naturalesa com un cúmul globular molt dens fins el seu nucli.

M68 al web del SEDS

Índex del Catàleg Messier del blog

Les estrelles "Rínxols d'or" són els millors llocs per buscar la vida

Clic per engrandir.

A la nostra galàxia hi ha moltes estrelles. Sense ni tan sols esmentar l’univers íntegrament. Probablement també hi ha un nombre inimaginable de planetes que giren al seu voltant. Així doncs, en la nostra recerca de la vida, haurem de triar. I els investigadors d'avui creuen que els esforços s'han de concentrar en els que anomenen les estrelles "Rínxols d'or".

El principi “Rínxols d'or” s’aplica en moltes disciplines, sobretot en l’astrobiologia. De fet, els investigadors han tingut l’hàbit d’anomenar la zona “Rínxols d'or”, les zones habitables de les estrelles. Els planetes d’aquestes zones no estan ni massa lluny ni molt a prop de la seva estrella. L’aigua líquida pot mantenir-ser a la seva superfície. I així podrien, a priori, aixoplugar la vida.

Perquè Rínxols d'or?, Per què recorda al conte de la petita amb els cabells arrissats, quan descobreix els bols dels tres óssos. Bols de diferents mides, farcits de farinetes a diferents temperatures. La història de Rínxols d'or està destinada a desafiar-nos pel que fa a la idea de quantitat justa i qualitat justa.

I avui, els astrònoms fins i tot pensen que hi ha estrelles Rínxols d'or. Les estrelles no són massa caloroses ni massa fredes i sobretot no massa violentes. Estrelles ideals per a l’aparició de la vida. Estrelles similars al nostre Sol ? No del tot. "Les estrelles que coneixem com a nanes tipus D - el nostre Sol entra dins de la categoria de nanes tipus G - són veritables estrelles Rínxols d'or", afirma Edward Guinan, investigador de la Universitat de Villanova (Estats Units).

Clic per engrandir. Una comparació -zona habitable, rajos X, abundància i longevitat-

imatge de les principals característiques d'alguns candidats a Rínxols d'or. Amb, al mig,
les estrelles nanes tipus K que són, segons els astrònoms de la Universitat de Villanova
(Estats Units), els millors llocs per buscar la vida. © Nasa, ESA i Z. Levy (STScI)

Complides totes les condicions
Les estrelles més càlides del tipus K -també conegudes com a nanes taronja- serien les millors estrelles al voltant de les quals cal buscar rastres de vida extraterrestre. Primer, perquè són abundants. N'hi ha tres vegades més a la Via Làctia que les estrelles de tipus Sol. N’hi ha un miler d’aquí a només 100 anys llum del nostre sistema solar.

També tenen un interès especial per als astrònoms, ja que la seva vida útil oscil·la entre els 15 i els 45 mil milions d’anys. Mentre que les estrelles tipus Sol amb expectatives de vida curtes, no més de 10 mil milions d’anys, limiten el temps durant el qual l’atmosfera pot mantenir-se estable. Abans de temps, a escala còsmica, la nostra Terra s'haurà vist veritablement engolida per la inflor de la nostra estrella moribunda.

Els camps magnètics de les estrelles nanes tipus K -els famosos Rínxols d'or- també són força pacífics. A priori al seu voltant, no hi ha fortes emissions ni explosions energètiques. Dades confirmades per investigadors de la Universitat de Villanova gràcies a imatges del telescopi espacial Hubble, l’observatori de rajos X Chandra i el satèl·lit XMM-Newton. Mentre que les estrelles nanes tipus M -també anomenades nanes vermelles i que són encara més abundants i viuen encara més temps- tenen una zona habitable situada tan a prop que els planetes que s’hi troben estan exposats a la radiació X i UV, centenars de milers de vegades més intens que la Terra. És difícil, en aquestes circumstàncies, imaginar que la vida s'hi pugui desenvolupar. 

“Kepler 442 és una estrella del tipus K5. És notable perquè refugia un planeta rocós, Kepler 442b , la massa del qual és aproximadament el doble de la de la nostra Terra. Es pot pensar raonablement que Kepler 442b és un planeta Rínxols d'or que orbita al voltant d'una estrella Rínxols d'or", conclou Edward Guinan. Potser el primer exoplaneta sobre el qual hi trobarem rastres de vida?

Ho he vist aquí.

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (III)

El Postulat de les Cordes

Una Teoria de Cordes

El descobriment de la Teoria de Cordes com a potencial Teoria Unificada va ser gairebé per accident. En un context no relacionat amb la unificació de forces, els investigadors dels anys 70 es van preguntar quina teoria podria ser capaç de descriure una corda quàntica fonamental -un objecte amb una extensió espacial finita, el qual no podria ser descrit en termes de constituents més bàsics. Aquest era certament un nou i interessant problema matemàtic en un context físic.

Aquesta corda estaria descrita de forma clàssica donant la situació d'un objecte estès com una línia (recta o corba) en l'espai en un moment donat. La corda podria ser tancada, com un bucle, o oberta, amb dos extrems.

Així com una partícula té una massa intrínseca, una corda tindria una tensió intrínseca. De la mateixa manera que una partícula està subjecta a les lleis de la relativitat especial, una corda també seria relativista. Finalment, s'hauria d'idear una "mecànica quàntica" de cordes en analogia amb aquestes per partícules puntuals.

La presència d'una tensió intrínseca vol dir que la Teoria de Cordes posseeix una escala de massa inherent, un paràmetre fonamental juntament amb les dimensions de la massa. Això defineix l'escala d'energia a la qual els efectes "cordistes" (efectes associats a l'oscil·lació de la corda) es farien importants.

Fins i tot sense fer càlculs, es pot predir a partir de l'experiència que una corda quàntica hauria de tenir moltes maneres d'oscil·lació espaiats infinitament de forma discreta, gairebé igual que les cordes d'un instrument musical. Totes aquestes maneres estarien localitzats efectivament en el veïnatge de la corda, i es comportarien com partícules elementals amb diferents masses relacionades amb la freqüència d'oscil·lació de les cordes. Així doncs, una sola espècie de cordes produiria moltes excitacions similars a les partícules. Podria explicar-se el zoo de partícules elementals d'aquesta forma, com sorgint d'una corda?

Els detalls haurien d'haver estat relativament senzills, però van aparèixer alguns resultats inesperats. Una corda és com una col·lecció infinita de partícules puntuals, restringides a mantenir-juntes per formen un objecte continu. D'aquesta manera té, efectivament, infinits graus de llibertat, una cosa sempre perillosa! Les matemàtiques de les cordes relativistes eren bastant senzilles al nivell de la teoria clàssica, però a l'intentar passar-les a la teoria quàntica, els investigadors van descobrir que el nombre total de dimensions espacials està fixat de forma única a 26. Per tant, les cordes quàntiques podrien existir només en un món amb 25 (en lloc de 3) dimensions espacials, més el temps. L'excitació per trobar, per primera vegada, una condició de consistència matemàtica que determina el nombre de dimensions espacials, en lloc de tractar aquest número com una entrada experimental, va ser d'alguna forma suavitzat per l'absurd valor predit per aquest número.

L'entusiasme estava bastant aigualit pel descobriment que fins i tot en 26 dimensions espacials, la corda tenia una desagradable característica addicional. El seu espectre d'excitacions similars a les partícules incloïa una partícula en la que la massa és un nombre imaginari, un "taquió", que es creia generalment que era un objecte no físic. 

No dissuadits per aquests obstacles, els teòrics van notar que la teoria comptava encara amb una altra sorpresa. Després del taquió, la següent partícula en l'espectre d'oscil·lació de la corda era una partícula amb espín 2 i sense massa. Una partícula sense massa pot propagar-se a grans distàncies, per tant la força a la qual fa de mediador és una força de llarg abast. Com hem vist, una partícula d'espín 2 que hi ha en una força de llarg abast és just l'ingredient perdut en la nostra recerca de la descripció fonamental de la natura: el gravitó. Vam aprendre que els intents previs per incorporar el gravitó van fallar per raons tècniques associades a la Teoria de Camps Quàntics. Era la Teoria de Cordes prou potent com per superar aquests obstacles?

Aquí apareix el principal avanç a causa del que la Teoria de Cordes s'ha convertit en una cosa tan important com ho és avui. La naturalesa de les cordes -que tenen extensió i no són punts- acudeix a reparar les inconsistències que sempre havien plagat les Teories Quàntiques de la Gravitació. Tot i que els diagrames que descriuen la dispersió de les partícules puntuals tenen punts definits on una partícula es divideix en dos, el corresponent diagrama per a cordes disperses és completament suau (Figura inferior). Aquest simple fet és en última instància responsable d'eliminar les singularitats en el procés de dispersió gravitatòria el qual fa a la gravetat quàntica inconsistent i per al qual no s'ha trobat remei. Així doncs, tot i les 26 dimensions i de la partícula no física del taquió, es va trobar que la Teoria de Cordes contenia una prometedora solució al problema de la gravetat. 

Teoria de Supercordes

Aquesta promesa va començar a fer-se més convincent quan es va trobar una Teoria de Supercordes millor, la qual no tenia taquions, i que no requeria les 26 dimensions espacials, però que mantenia la partícula sense massa semblant al gravitó. Extraordinàriament, aquesta va enllaçar totes les idees que trobem en les seccions prèvies: supersimetria, unificació i la proposta de Kaluza-Klein.

En la teoria de cordes, el taquió apareix com una excitació amb massa quadrada negativa. Des del punt de vista d'un observador a la corda, aquesta excitació apareix com un estat d'energia negativa. Aquesta estava connectat a un fet familiar en la mecànica quàntica: a causa de el famós Principi de Incertesa, l'energia mínima d'un sistema localitzat tendeix a no desaparèixer. La presència d'un taquió en la Teoria de Cordes podria ser matemàticament rastrejat per la presència d'aquest "punt d'energia zero" que no desapareix en els sistemes quàntics típics. Per tant si podem identificar sistemes quàntics especials on el punt d'energia zero desaparegui, possiblement seríem capaços d'inventar una Teoria de Cordes Especial sense cap taquió.

Els sistemes quàntics sense punts d'energia zero tenen lloc en presència de supersimetria. Esmentem prèviament que aquest supersimetria relaciona els graus de llibertat bosònics i fermiònics. Les energies de punt zero associades a aquests dos tipus de graus de llibertat resulten ser de signe oposat, i es cancel·len idènticament en un sistema supersimétric. Tot i que la ruta històrica a aquest descobriment és bastant més complicada, la nostra moderna comprensió és que aquesta és la clau per a una Teoria de Cordes que no té taquions: "La Teoria de Supercordes".

Anar de la Teoria de Cordes a la de Supercordes finalment va desembocar en una proposta que sembla realment apropiada per descriure el món real, o al menys més apropiada que les anteriors propostes. En la Teoria de Supercordes, el postulat bàsic és, com abans, que les vibracions d'un únic tipus de cordes porta a una multitud de partícules elementals. Però a causa de la supersimetria, no existeixen taquions. Com a afegit, la condició de consistència en el nombre de dimensions espai-temporals canvia quan s'introdueix la supersimetria. Així doncs, en lloc de 26, la Teoria de Supercordes requereix de només 10 dimensions espai-temporals. Finalment, la presència d'una partícula "gravitó" és mantinguda per la Teoria de Supercordes, per tant encara és una Teoria de la Gravetat, de fet, de "supergravetat", l'extensió supersimètrica de la gravetat.

Propietats de la Teoria de Supercordes

L'objecte fonamental en la Teoria de Supercordes és la supercorda: una corda amb graus de llibertat extra que la fan supersimètrica. Després de la llarga cadena de desenvolupaments que hem discutit, i que han portat a la formulació d'aquesta teoria, és hora de discutir la teoria i la seva rellevància per al món real en alguns detalls.

Cinc Teories Diferents

Una corda pot ser oberta, amb dos extrems, o tancada, com un bucle. El postulat físic natural per interaccions entre dues cordes obertes és que quan els seus extrems es toquen, es poden unir en una corda oberta de major grandària. No obstant això, si els dos extrems d'una corda es toquen, poden unir-se per formar una corda tancada. D'aquesta manera, les teories de cordes obertes contenen també, de forma inevitable, a les de cordes tancades (Figura a sota). 

A l'inrevés no és cert. Un parell de cordes tancades poden unir-se quan coincideixen un parell de punts, per formar una única corda tancada. Així doncs, pot haver teories amb només cordes tancades però no obertes. Això dóna com a resultat que la prescripció més natural porta a una possible única teoria de cordes, anomenada Teoria de Supercordes de tipus I, i dues teories de cordes tancades diferents, anomenades Teories de Cordes de tipus IIA i IIB. Un enginyós híbrid de la supercorda de la Teoria de Cordes ordinària (no supersimètrica), anomenat "corda heterótica", es va descobrir també, i hi ha dues d'aquestes teories, fent un total de cinc en conjunt. Actualment tenim un millor coneixement de per què aquestes són les úniques cinc Teories de Supercordes i com estan mútuament interrelacionades.

L'excitació més lleugera d'una Teoria de Cordes pot ser descrita com una Teoria de Camp Quàntic amb un cert nombre de partícules elementals, per tant descriurem el contingut d'aquesta teoria de camp, ignorant temporalment, el fet que hi ha infinites excitacions de cordes d'energia incremental. Per a una corda oberta, la teoria de baixa energia és una teoria de camp en 10 dimensions espai-temporals amb un gravitó (sense massa) i una col·lecció de camps "gauge" molt semblants als camps que descriuen als fotons, bosons W i Z i gluons en el món real. Així doncs, les interaccions del tipus trobat en la naturalesa (gravetat i forces gauge) són incorporades en el Tipus I de la Teoria de Supercordes, encara que en 10 dimensions. Les partícules de matèria fermiónica estan també presents. Estan carregades sota interaccions gauge, anàlogues al fet que els electrons tenen càrrega elèctrica o els quarks porten una "càrrega de color". També, els fermions tenen una "quiralitat" definida, el que significa que la Teoria de Tipus I en 10 dimensions viola la paritat o simetria esquerra-dreta, així com ho fan les interaccions febles en el món real. Això és extremadament esperançador, pel fet que totes aquestes partícules i interaccions, son seguides del simple postulat d'una consistent Teoria de Supercordes obertes! 

Hi ha també alguns punts negatius obvis. El grup de simetria associat a les partícules gauge de la corda Tipus I en 10 dimensions és SO (32), molt més gran del grup de simetria esperat de les interaccions forta, feble i electromagnètica en el món real, la qual cosa és el producte de SU (3), SU (2) i O (1). Per tant veiem que tenim massa forces i els seus corresponents portadors. També, totes les partícules que apareixen a la teoria de baixa energia són exactament sense massa, força diferent del que electrons o quarks del món real els quals tenen una massa definida. Finalment, estem en un nombre incorrecte de dimensions espai-temporals, 10 en lloc de 4. Però cap d'aquests és un autèntic obstacle. A energies extremadament altes, per tot el que sabem, el món real podria semblar de 10 dimensions i tenir grans quantitats de partícules gairebé sense massa i un grup de simetria gauge molt gran. Per tant s'hauria de considerar la Teoria de Supercordes en 10 dimensions amb aquesta llum, com un candidat a la descripció dels límits d'alta energia del món real. Per connectar això amb el món de baixa energia hem d'encarar temes com compactació a 4 dimensions i trencaments de simetria.

Les Teories de Supercordes de Tipus IIA i IIB són una mica diferents. Aquestes contenen un gravitó sense massa, però no tenen les partícules de tipus "gauge" que estan presents en la Teoria de Cordes de Tipus I. Hi ha partícules de matèria fermiónica, però en absència de portadors de força del tipus habitual, aquests no poden transportar càrregues. Els fermions estan en paritat conservativa en la teoria de tipus IIA i en paritat violada en el tipus IIB. Finalment, hi ha alguns camps exòtics anomenats "camps gauge de tensors", els quals amb aproximadament com un spin més alt anàleg al del fotó. No obstant això, els fermions i altres partícules sense massa no estan carregades pel que fa a aquestes. Tot això va ser inicialment percebut com descoratjador i aquestes teories van ser catalogades durant molts anys com a exòtiques i irrellevants en la finalitat de trobar una teoria unificada de la natura. Recents desenvolupaments han demostrat que aquesta visió era falsa. El procés de compactificación pot en realitat produir partícules gauge i fermions carregats sota interaccions gauge. Aquesta és una de les conseqüències de les simetries de dualitat que es discutiran en altres articles d'aquesta col·lecció.

Finalment, descriurem la corda híbrida heterótica. Aquesta estava basada en l'observació que les excitacions d'una corda tancada són similars a petites ones que viatgen en un sentit o en el contrari voltant de la corda. Aquests dos tipus d'ones (anomenats "de moviment dreta" i "de moviment esquerra" per raons òbvies) no interactuen uns amb altres fins i tot encara que es propaguin en la mateixa corda. Per tant és significatiu combinar ones de moviment esquerra comuns amb ones de moviment dreta supersimètriques (més que tenir ambdós tipus d'ones supersimètriques, com en les cordes de tipus II). La corda heterótica està basada en aquesta idea.

Se'ns presenta un misteri immediatament: vam veure que les cordes ordinàries són consistents en 26 dimensions mentre que les supercordes viuen en 10 dimensions. Com poden aparellar-se i en quantes dimensions viuria la teoria resultant? La resposta va venir d'una adaptació de la idea de Kaluza-Klein. Prenem 16 de les 26 dimensions per corbar en petits cercles. Llavors la teoria de 10 dimensions resultant està combinada en la teoria híbrida descrita més amunt. Per tant la teoria final té 10 dimensions, però les seves ones de moviment esquerra tenen un origen de 26 dimensions, i per tant tenen graus ocults de llibertat corresponents a les 16 dimensions extra. Extraordinàriament, aquests graus ocults de llibertat estan manifestats com camps gauge, i els grups de simetria depenen de les mides d'aquestes dimensions compactes i de la forma del tor format per les 16 dimensions compactes. Això dóna com a resultat que la consistència de la Teoria de Cordes resultant permet només dues eleccions per a aquest tor. Una opció porta a un grup de simetria gauge de SO (32), per tant la teoria resultant recorda molt a la Teoria de Supercordes de Tipus I (oberta). L'altra opció porta a alguna cosa bastant nova: el grup de simetria gauge és un producte del grup excepcional E (8) amb si mateix. Aquesta és l'anomenada corda heterótica I (8) x E (8). Aquesta és la cinquena i darrera Teoria de Supercordes en 10 dimensions. Així com la corda de tipus I, les Teories de Cordes heterótiques tenen violació de paritat en 10 dimensions.

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics. 

La Teoria de Cordes, també coneguda per noms com "Teoria de Supercordes" i de vegades "Teoria M", és una idea que ha estat donant voltes durant força temps, unes dues dècades. És, al mateix temps, una continuació lògica de nocions teòriques establertes fa ja gairebé mig segle, i un nou i radical paradigma en la física fonamental.

Potser és aquesta paradoxal naturalesa de la Teoria de Cordes el que explica el per què atrau tanta atenció avui dia. Els desenvolupaments en aquest àmbit han arribat a la portada dels diaris més d'una vegada en els últims anys, tot i no tenir una prova experimental directa que la Teoria de Cordes és la teoria fonamental de la natura.

Anar al capítol 2.

Continua al capítol 4.

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit

SOFIA revela una nova visió del centre de la Via Làctia

La NASA ha capturat una imatge infraroja extremadament nítida de centre de la nostra galàxia; la Via Làctia. Abastant una distància de més de 600 anys llum, aquest panorama revela detalls dins dels densos remolins de gas i pols en alta resolució, obrint la porta a futures investigacions sobre com s'estan formant les estrelles massives i què està alimentant el forat negre supermassiu en el nucli de la nostra galàxia.

Entre les característiques que s'enfoquen hi ha les corbes sortints del Cúmul d'Arches, que conté la concentració més densa d'estrelles de la nostra galàxia, així com el Cúmul Quíntuple, amb estrelles un milió de vegades més brillants que el nostre Sol. El forat negre de la nostra galàxia pren forma amb un cop d'ull a l'ardent anell de gas que l'envolta.

Aquesta nova visió va ser possible gràcies al major telescopi aeri del món, l'Observatori Estratosfèric per l'Astronomia al Infraroig, o SOFIA. Volant alt a l'atmosfera, aquest Boeing 747 modificat va apuntar la seva càmera infraroja anomenada FORCAST -la Cambra de Objectes Tènues en Infraroig per al Telescopi SOFIA- per observar material càlid galàctic que emet en longituds d'ona de llum que altres telescopis no podrien detectar. La imatge combina la nova perspectiva del SOFIA de les regions càlides amb dades prèvies que exposen material molt calent i fred del Telescopi Espacial Spitzer de la NASA i de l'Observatori Espacial Herschel de l'Agència Espacial Europea.

S'ha presentat a la revista Astrophysical Journal un document de síntesi en què es destaquen els resultats inicials per a la seva publicació. La imatge va ser presentada per primera vegada en la reunió anual de la Societat Astronòmica Americana aquesta setmana el 2020 a Honolulu.

"És increïble veure el nostre centre galàctic amb un detall que mai abans havíem vist", va dir James Radomski, un científic de l'Associació d'Universitats de Recerca Espacial al Centre de Ciència SOFIA al Centre d'Investigació Ames de la NASA a la Silicon Valley a Califòrnia. "Estudiar aquesta àrea ha estat com tractar de muntar un trencaclosques amb peces per fer. Les dades del SOFIA omplen alguns dels forats, apropant-nos significativament a tenir una imatge completa".

Clic per engrandir. Imatge infraroja composta de centre de la nostra Via Làctia. S'estén al llarg
de més de 600 anys llum i està ajudant els científics a saber quantes estrelles massives s'estan
formant al centre de la nostra galàxia. Les noves dades del SOFIA preses a 25 i 37 micres,
mostrades en blau i verd, es combinen amb les dades de l'Observatori Espacial Herschel,
mostrats en vermell (70 micres), i del Telescopi Espacial Spitzer, en blanc (8 micres). La imatge de SOFIA revela característiques que mai abans s'havien vist. Crèdits: NASA / SOFIA / JPL-Caltech / ESA / Herschel

El naixement de les estrelles

Les regions centrals de la Via Làctia tenen significativament més del dens gas i pols que són els blocs de construcció de les noves estrelles en comparació amb altres parts de la galàxia. Tot i així, hi ha 10 vegades menys estrelles massives nascudes aquí del que s'esperava. Entendre per què existeix aquesta discrepància ha estat difícil a causa de tota la pols entre la Terra i el nucli galàctic que s'interposa en el camí, però observar amb llum infraroja ofereix una mirada més propera a la situació.

Les noves dades en infraroig il·luminen les estructures indicatives del naixement d'estrelles a prop del Cúmul Quintuplet i el material calent aprop del Cúmul d'Arches que podria ser la llavor de noves estrelles. Veure aquestes característiques càlides en alta resolució podria ajudar als científics a explicar com algunes de les estrelles més massives de tota la nostra galàxia van aconseguir formar-se tan a prop unes de les altres, en una regió relativament petita, tot i la baixa taxa de naixement en les àrees circumdants.

"Entendre com el naixement massiu d'estrelles ocorre en el centre de la nostra pròpia galàxia ens dóna informació que pot ajudar-nos a aprendre sobre altres galàxies més distants", va dir Matthew Hankins, un becari postdoctoral del California Institute of Technology a Pasadena, Califòrnia, i investigador principal del projecte. "L'ús de múltiples telescopis ens dóna pistes que necessitem per entendre aquests processos, i encara hi ha més per descobrir".

Anell al voltant del forat negre

Els científics també poden veure més clarament el material que pot estar alimentant l'anell al voltant del forat negre supermassiu central de la nostra galàxia. L'anell té uns 10 anys-llum de diàmetre i juga un paper clau en l'aproximació de la matèria al forat negre, on pot ser eventualment devorada. L'origen d'aquest anell ha estat durant molt temps un trencaclosques per als científics perquè podria esgotar-se amb el temps, però les dades del SOFIA revelen diverses estructures que podrien representar material que se li està incorporant.

Les dades van ser preses al juliol de 2019 durant el desplegament anual del SOFIA a Christchurch, Nova Zelanda, on els científics estudien els cels de l'hemisferi sud. El conjunt de dades complet i calibrat està actualment disponible per als astrònoms de tot el món per a futures investigacions a través del Programa del llegat del SOFIA.

El telescopi volador de NASA SOFIA va capturar una imatge infraroja nítida del centre de la
nostra galàxia; la Via Làctia. Revela detalls dins dels densos remolins de gas i pols, obrint la
porta a futures investigacions sobre com s'estan formant les estrelles massives i què està
alimentant el forat negre en el nucli de la nostra galàxia. Crèdit: NASA/Ames Research Center.
Recordem que podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo.

El Telescopi Espacial Spitzer serà retirat del servei el 30 de gener de 2020, després d'haver operat durant més de 16 anys. SOFIA continua explorant l'univers infraroig i estudiant les longituds d'ona de la llum de l'infraroig mitjà i llunyà amb alta resolució que no són accessibles per a altres telescopis, i ajudant als científics a entendre la formació d'estrelles i planetes, el paper que els camps magnètics juguen a la formació del nostre univers, i l'evolució química de les galàxies. Alguns dels molt tènues punts i regions fosques revelats en la imatge del SOFIA poden ajudar a planejar els objectius per als telescopis de el futur, com el telescopi espacial James Webb.

SOFIA, és un avió Boeing 747SP modificat per portar un telescopi de 106 polzades de diàmetre. És un projecte conjunt de la NASA i el Centre Aeroespacial Alemany, DLR. El Centre d'Investigació Ames de la NASA al Silicon Valley de Califòrnia fa servir el programa SOFIA, per la ciència i les operacions de la missió en cooperació amb l'Associació d'Investigació Espacial de les Universitats amb seu a Columbia, Maryland, i l'Institut Alemany SOFIA (DSI) de la Universitat de Stuttgart. L'aeronau és mantinguda i operada des de l'edifici 703 del Centre d'Investigació de Vol Armstrong de la NASA, a Palmdale, Califòrnia.

Ho he vist aquí.

Feliç Any Nou!!