Какой формы Вселенная?

Насколько могут судить космологи, пространство почти идеально плоское. Но что это значит?

Коди Коттье, 10 февраля 2021 г., 17:49

(Источник: Рост9/Shutterstock)

Новостная рассылка

Подпишитесь на нашу рассылку по электронной почте, чтобы быть в курсе последних научных новостей

Общая теория относительности, согласно которой само пространство может искривляться, допускает, что Вселенная может принимать одну из трех форм: плоская, как лист бумаги, замкнутая, как сфера, или открытая, как седло. Эта астрономическая геометрия — нетривиальное дело — от нее зависит судьба космоса.

Как выразился космолог из Принстонского университета Дэвид Спергель, «форма Вселенной говорит нам о ее прошлом и будущем». форма.

Для вопроса, который имеет отношение к таким грандиозным вопросам, его компоненты удивительно просты. Конечная структура Вселенной зависит всего от двух факторов: ее плотности и скорости расширения.

Замкнутая, открытая или плоская Вселенная?

Примерно 68 процентов Вселенной — это темная энергия, а 27 процентов — темная материя. Остальное — это обычное вещество, которое составляет планеты, звезды и другие тела. Плотность Вселенной относится к тому, сколько этой материи упаковано в данный объем пространства.

Если плотность Вселенной достаточно велика, чтобы ее гравитация преодолела силу расширения, тогда Вселенная свернется в шар. Это известно как закрытая модель с положительной кривизной, напоминающей сферу. Невероятное свойство этой вселенной состоит в том, что она конечна, но не имеет границ. Межгалактический Фердинанд Магеллан мог совершить кругосветное путешествие, бесконечно пересекая пространство, не ударившись о стену и не упав с края.

С другой стороны, если плотность Вселенной низка и не может остановить расширение, пространство искривится в противоположном направлении. Это образовало бы открытую вселенную с отрицательной кривизной, напоминающую седло.

Три возможные геометрии Вселенной.(Источник: НАСА / научная группа WMAP)

Существует также сценарий Вселенной Златовласки, который, по мнению ученых, является наиболее правдоподобным. Большинство космологических свидетельств указывают на то, что плотность Вселенной является оптимальной — эквивалент примерно шести протонов на 1,3 кубических ярда — и что она расширяется во всех направлениях, не изгибаясь ни положительно, ни отрицательно. Другими словами, Вселенная плоская. (Возможно, это станет некоторым утешением для тех, кто разочарован округлостью нашей планеты.)

Квартира в 3D

Однако что означает плоская Вселенная? Эта плоскость не является двухмерной, с которой мы часто сталкиваемся в повседневной жизни, но вы можете представить ее с помощью нескольких аналогий.

Скажем, вы стоите в углу квадратной комнаты. Пройдите 10 футов вдоль стены до следующего угла, затем поверните на 90 градусов. Пройдите еще 10 футов и снова повернитесь на 90 градусов. Сделайте это еще дважды, и вы вернетесь к тому, с чего начали — вы завершили квадрат. Это стандартная евклидова геометрия, которую мы все изучали в средней школе, и если вы добавите еще одно измерение, то получите плоскую Вселенную.

Но проведение этого эксперимента на положительно искривленном пространстве, представляющем замкнутую вселенную, привело бы к другому результату. На этот раз начните с экватора Земли и идите к Северному полюсу. Затем повернитесь на 90 градусов и идите обратно к экватору. Повернитесь еще раз на 90 градусов и вернитесь к исходной точке. В примере с плоской вселенной потребовалось четыре хода, чтобы вернуться к тому, с чего вы начали, а в примере с закрытой вселенной — только три.

Если вы (по понятным причинам) все еще в замешательстве, вот еще один пример: в плоской вселенной две ракеты, летящие рядом друг с другом, всегда будут оставаться параллельными. Это не похоже на замкнутую вселенную, в которой траектории этих двух ракет будут расходиться, двигаться вдоль кривизны пространства и, в конце концов, петлять, чтобы встретиться там, где они стартовали. А в отрицательно искривленной открытой вселенной ракеты разделятся и никогда больше не пересекутся.

«Космологический кризис»

Лучшие ключи к разгадке формы Вселенной заключены в космическом микроволновом фоне (CMB), послесвечении Большого взрыва, которое излучается к нам со всех сторон. За последние несколько десятилетий ученые неоднократно измеряли флуктуации температуры в реликтовом излучении — по сути, выполняя тригонометрию в максимально возможном масштабе — и практически не обнаруживали искривления.

Плоская Вселенная является ключевым элементом стандартной космологической модели, также известной как модель лямбда-холодной темной материи (ΛCDM). (Λ — греческая буква лямбда, обозначающая темную энергию.) Но в конце 2019 года Алессандро Мельхиорри из Римского университета Сапиенца и его коллеги опубликовали статью, в которой делается вывод о том, что измерения реликтового излучения космической обсерваторией «Планк» указывают на замкнутую Вселенную.

Они проанализировали величину гравитационного линзирования — насколько свет от реликтового излучения был отклонен гравитацией вещества на его пути — и нашли цифру выше, чем предсказывает модель ΛCDM. Если вы уберете предположение о плоской Вселенной вместо того, чтобы «попытаться подогнать данные под неправильную модель», — говорит он, — отклонение исчезнет.

Коллаборация Planck (частью которой является Мельхиорри) также обнаружила аномалию линз, но не сочла ее столь значительной. «С этим можно легко смириться», — говорит Энтони Льюис, космолог из Университета Сассекса в Брайтоне, Англия, и член команды Планка. Он, как и большинство исследователей, приписывает расхождение статистической случайности. «Если у вас есть большой набор данных и вы ищете странности, — говорит Льюис, — вы обязательно их найдете».

Мельхиорри признает, что он «немного играет роль адвоката дьявола», но он считает, что ученые должны оставаться скромными и не отвергать данные Планка. Его точка зрения не в том, что Вселенная закрыта как таковая, а в том, что это несоответствие может говорить нам о чем-то важном. Он также признает последствия этого заявления.Он и его соавторы назвали это «космологическим кризисом». «Как только вы предполагаете замкнутую вселенную, это что-то вроде катастрофы, — говорит он, — потому что есть много наборов данных, которые начинают противоречить [данным Планка]».

Плоский, насколько может видеть глаз

Если это правда, это перевернет десятилетия астрономических открытий. Но помимо этих данных нет ни малейших причин сомневаться в том, что Вселенная плоская. Все другие измерения реликтового излучения, например, проведенные космологическим телескопом Атакама (ACT) в Чили и микроволновым зондом анизотропии Уилкинсона, согласуются с плоскостностью. Данные из других источников, в первую очередь барионные акустические колебания — отпечатки, оставленные на галактиках первичными звуковыми волнами, возникшими после Большого взрыва, — также предполагают плоскостность.

Любая теория, подкрепленная такими неопровержимыми доказательствами, заставила бы большинство ученых скептически относиться к единственному выбросу. «Работа Мельхиорри не смешна, — говорит Спергель, — поскольку она действительно описывает особенность данных Планка, которая способствует положительной кривизне. «Но, — добавляет он, — когда вы идете и получаете больше данных, вы видите довольно непротиворечивую картину плоской Вселенной».

В статье, опубликованной в декабре, Спергель и десятки других исследователей, связанных с ACT, объединили свои собственные данные и другие наборы данных с данными Планка. Они не обнаружили «никаких доказательств отклонения от плоскостности, подтверждающих интерпретацию того, что [отклонение Планка] является статистической флуктуацией». Другие исследования после публикации статьи Мельхиорри, в том числе проведенный в феврале космологами Кембриджского университета Джорджем Эфстатиу и Стивеном Граттоном, пришли к такому же выводу. С их точки зрения, нет необходимости обновлять модель ΛCDM.

Так что, по крайней мере, на данный момент Вселенная кажется трехмерным листом бумаги. Но точно так же, как Мельхиорри не настаивает на том, что она на самом деле закрыта, не все ученые настаивают на том, что она на самом деле плоская — именно так она выглядит с нашей точки зрения.Наши наблюдения по определению ограничены наблюдаемой Вселенной, поэтому мы можем что-то упустить.

Однако, если Вселенная искривлена, она должна быть настолько колоссальной, что все 93 миллиарда световых лет, которые мы можем видеть, не являются достаточно большой частью, чтобы обнаружить кривизну. Если взять пример с Земли, говорит Граттон, может показаться, что мы стоим в тумане и не можем видеть дальше небольшого плоского участка земли, но где-то вне поля зрения горизонт доказывает, что мы живем на сфере. «Когда мы говорим, что Вселенная плоская, — говорит он, — мы имеем в виду, что маленькая часть Вселенной, которую мы можем видеть, согласуется с тем, что она является частью [3D-аналога] плоской поверхности».