Астрофизики: наша Вселенная гигантский трехмерный бублик

Представьте себе Вселенную, в которой можно направить космический корабль в одном направлении и в конечном итоге вернуться туда, откуда был совершен пуск. Если бы наша Вселенная была конечной, такое путешествие было бы возможно, а физики потенциально могли бы измерить ее размер.

«Мы могли бы сказать: теперь мы знаем размер Вселенной», — сказал астрофизик Томас Бухерт из Центра астрофизических исследований Лионского университета во Франции.

Изучая свет из очень ранней Вселенной, Бухерт и группа астрофизиков пришли к выводу, что наш космос может быть многосвязным, что пространство замкнуто само по себе во всех трех измерениях, как трехмерный бублик.

Такая Вселенная будет конечной, и, согласно результатам ученых, весь наш космос может быть только примерно в три-четыре раза больше, чем пределы наблюдаемой Вселенной, примерно 45 миллиардов световых лет от нас.

Физики используют язык общей теории относительности Эйнштейна для объяснения Вселенной. Теория относительности связывает содержимое пространства-времени с изгибом и деформацией пространства-времени, который затем сообщает этому содержимому, как взаимодействовать. Так мы ощущаем силу тяжести.

В космологическом контексте этот язык связывает содержимое всей Вселенной — темную материю, темную энергию, обычную материю, излучение и все остальное — с ее общей геометрической формой.

На протяжении десятилетий астрономы обсуждали природу этой формы: является ли наша Вселенная «плоской» (воображаемые параллельные линии всегда будут параллельны), «закрытой» (параллельные линии в конечном итоге пересекаются) или «открытой» (эти линии будут расходиться).

Эта геометрия Вселенной диктует ее судьбу. Плоские и открытые Вселенные будут продолжать расширяться вечно, а закрытая Вселенная в конечном итоге схлопнется сама по себе.

Множественные наблюдения, особенно космического микроволнового фона, твердо установили, что мы живем в плоской Вселенной. Параллельные линии остаются параллельными, и наша Вселенная будет продолжать расширяться.

Но форма — это не только геометрия. Также существует топология, с помощью которой формы могут изменяться при сохранении тех же геометрических правил.

Например, возьмите плоский лист бумаги. Он явно плоский — параллельные линии остаются параллельными. Теперь возьмите два края этой бумаги и скатайте их в цилиндр. Параллельные линии по-прежнему параллельны: цилиндры геометрически плоские. Теперь возьмите противоположные концы цилиндрической бумаги и соедините их. Вы получите бублик, который также геометрически плоский.

Хотя наши измерения содержимого и формы Вселенной говорят нам о ее плоской геометрии, они не говорят нам о топологии. Они не говорят нам, замкнута ли наша Вселенная, а это означает, что одно или несколько измерений нашего космоса связаны друг с другом.

В то время как идеально плоская Вселенная простирается до бесконечности, плоская Вселенная с многосвязной топологией будет иметь конечный размер. Если бы мы могли каким-то образом определить, одно или несколько измерений обернуты сами по себе, тогда мы бы знали, что Вселенная конечна в этом измерении. Затем мы могли бы использовать эти наблюдения для измерения общего объема Вселенной.

Но как могла бы раскрыть себя замкнутая Вселенная?

Группа астрофизиков из Ульмского университета в Германии и Лионского университета во Франции изучала космический микроволновый фон. Когда возникло реликтовое излучение, наша Вселенная была в миллион раз меньше, чем сегодня, и поэтому, если Вселенная действительно замкнута, тогда она с гораздо большей вероятностью обернулась бы в наблюдаемых пределах космоса.

Сегодня, из-за расширения Вселенной, гораздо более вероятно, что наложение происходит в масштабе, превышающем наблюдаемые пределы, и поэтому его будет гораздо труднее обнаружить. Наблюдения реликтового излучения дают нам лучший шанс увидеть отпечатки многосвязной Вселенной.

Команда специально изучила возмущения — причудливый физический термин для обозначения ударов и покачиваний — в температуре реликтового излучения. Если бы одно или несколько измерений в нашей Вселенной соединились сами с собой, возмущения не могли бы быть больше, чем расстояние вокруг этих петель. Они просто не подошли бы.

Как Бухерт объяснил в электронном письме: «В бесконечном пространстве возмущения температуры реликтового излучения существуют во всех масштабах. Однако если пространство ограничено, то отсутствуют те длины волн, которые превышают размер пространства».

Другими словами: возмущения будут иметь максимальный размер, который может раскрыть топологию Вселенной.

Установление связи.

Карты реликтового излучения, сделанные с помощью таких спутников, как WMAP НАСА и Planck, уже видели интригующее количество отсутствующих возмущений в больших масштабах. Бухерт и его сотрудники исследовали, могут ли эти отсутствующие возмущения быть вызваны многосвязной Вселенной.

Для этого ученые выполнили множество компьютерных симуляций того, как выглядело бы реликтовое излучение, если бы Вселенная была трехмерным тором, что является математическим названием гигантского трехмерного бублика, в котором наш космос связан с самим собой во всех трех измерениях.

«Поэтому мы должны проводить моделирование в заданной топологии и сравнивать с тем, что наблюдается», — пояснил Бухерт. «Свойства наблюдаемых флуктуаций реликтового излучения затем показывают «недостающую мощность» в масштабах, превышающих размер Вселенной».

Отсутствие мощности означает, что флуктуации реликтового излучения в этих масштабах отсутствуют. Это означало бы, что наша Вселенная замкнута и конечна.

«Мы находим гораздо лучшее соответствие наблюдаемым флуктуациям по сравнению со стандартной космологической моделью, которая считается бесконечной», — добавил он.

«Мы можем варьировать размер пространства и повторить этот анализ. Результатом является оптимальный размер Вселенной, который лучше всего соответствует наблюдениям реликтового излучения. Ответ нашей статьи явно заключается в том, что конечная Вселенная соответствует наблюдениям лучше, чем бесконечная модель. Мы могли бы сказать: теперь мы знаем размер Вселенной».

Команда обнаружила, что замкнутая Вселенная, которая примерно в три-четыре раза больше нашего наблюдаемого пузыря, лучше всего соответствует данным полученным от реликтового излучения. Хотя этот результат технически означает, что вы можете двигаться в одном направлении и вернуться туда, откуда начали, на самом деле вы не сможете этого добиться.

Мы живем в расширяющейся Вселенной, и в больших масштабах Вселенная расширяется со скоростью, превышающей скорость света, поэтому вы никогда не сможете завершить цикл.

Бухерт подчеркнул, что результаты пока предварительные. Инструментальные эффекты также могут объяснить отсутствующие флуктуации в больших масштабах.

Статья опубликована Live Science.