Насколько могут судить космологи, космос почти идеально плоский. Но что это значит?
Общая теория относительности, согласно которой само пространство может искривляться, позволяет Вселенной принимать одну из трех форм: плоскую, как лист бумаги, замкнутую, как сфера, или открытую как седло. Эта астрономическая геометрия - нетривиальная вещь - от нее зависит судьба космоса.
Как говорит космолог из Принстонского университета Дэвид Спергель: «Форма Вселенной говорит нам о ее прошлом и будущем». Будет ли Вселенная расширяться навсегда или в конечном итоге схлопнется, и будет ли она конечна или бесконечна - все это вопросы, которые связаны с ее формой. Окончательная структура Вселенной зависит всего от двух факторов: ее плотности и скорости расширения.
Закрытая, открытая или плоская вселенная?
Примерно 68 процентов Вселенной - это темная энергия, а 27 процентов - темная материя. Остальное - обычная материя, которая составляет планеты, звезды и другие тела. Плотность Вселенной зависит от того, 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 называется закрытой моделью с положительной кривизной, напоминающей сферу. Удивительные свойство этой вселенной - то, что она конечна, но не имеет границ. Межгалактический Фердинанд Магеллан смог бы обогнуть ее, вечно пересекать космос, не ударяясь о стену и не падая с края))))
С другой стороны, если плотность Вселенной мала и не может остановить расширение, пространство будет искажаться в противоположном направлении. В результате образовалась бы открытая Вселенная с отрицательной кривизной, напоминающая седло.
Существует также сценарий Златовласки для Вселенной, который, по мнению ученых, является наиболее правдоподобным. Большинство космологических свидетельств указывает на то, что плотность Вселенной является правильной - эквивалент примерно шести протонов на 1,19 кубических метра - и что она расширяется во всех направлениях, не изгибаясь в положительную или отрицательную сторону. Другими словами, Вселенная плоская. (Возможно, это станет утешением для всех, кто разочарован округлостью нашей планеты.)
Плоский в 3D
Но что означает плоская Вселенная? Эта плоскостность не является двумерной, с которой мы часто сталкиваемся в повседневной жизни, но вы можете представить ее с помощью нескольких аналогий.
Допустим, вы стоите в углу квадратной комнаты. Пройдите 3 метра по стене до следующего угла, затем поверните на 90 градусов. Пройдите еще 3 метра и снова поверните на 90 градусов. Сделайте это еще два раза, и вы вернетесь туда, откуда начали - вы закончили квадрат. Это стандартная евклидова геометрия, которую мы все изучали в старшей школе, и если вы добавите еще одно измерение, вы получите плоскую вселенную.
Но проведение этого эксперимента в пространстве с положительной кривизной, представляющем замкнутую вселенную, приведет к другому результату. На этот раз начните с экватора Земли и идите к Северному полюсу. Затем поверните на 90 градусов и вернитесь к экватору. Повернитесь еще раз на 90 градусов и вернитесь к исходной точке. В примере с плоской вселенной потребовалось четыре хода, чтобы вернуться туда, откуда вы начали, но только три в примере с закрытой вселенной.
Если вы (понятно) 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 закрытую вселенную, в которой пути этих двух ракет будут расходиться, перемещаться по кривизне пространства и, в конечном итоге, петлять, чтобы встретиться там, где они начали. А в открытой вселенной с отрицательной кривизной ракеты разойдутся и никогда больше не пересекутся.
'Космологический кризис'
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 колебания температуры реликтового излучения - по сути, выполняя тригонометрию в максимально возможном масштабе - и почти не обнаружили кривизны вообще.
Плоская Вселенная - ключевая часть стандартной космологической модели, также известной как модель холодной темной материи лямбда (ΛCDM). ( Λ - греческая буква, обозначающая темную энергию.) Но в конце 2019 года Алессандро Мельхиорри из Римского университета Ла Сапиенца и его коллеги опубликовали документ, в котором был сделан вывод о том, что измерения реликтового излучения космической обсерваторией Planck указывают на закрытость Вселенной.
Они проанализировали степень гравитационного линзирования - насколько свет от реликтового излучения был отклонен гравитацией материи на своем пути - и обнаружили цифру выше, чем предсказывает модель ΛCDM. Если вы уберете предположение о плоской Вселенной, вместо того, чтобы «пытаться подогнать данные к неправильной модели», говорит он, отклонение исчезнет.
Группа Planck (частью которой является Мельхиорри) также обнаружила аномалию линзирования, но не сочла ее значительной. «Это то, с чем можно легко жить», - говорит Энтони Льюис, космолог из Университета Сассекса в Брайтоне, Англия, и член группы Planck. Он, как и большинство исследователей, объясняет это несоответствие статистической случайностью. «Если вы получаете большой набор данных и ищете странности, - говорит Льюис, - вы обязательно их найдете».
Мельхиорри признает, что он «немного играет адвоката дьявола», но действительно считает, что ученые не должны отвергать данные Планка полностью.
Его точка зрения заключается не в том, что Вселенная замкнута сама по себе, а в том, что это несоответствие может говорить нам что-то важное.
Он также осознает значение этого заявления. Мельхиорри и его соавторы считали это «космологическим кризисом». «Если предположить, что Вселенная замкнута, это становится чем-то вроде катастрофы, - говорит он, - потому что существует множество наборов данных, которые начинают противоречить [данным Планка]».
Плоская, насколько хватает взгляд
Если это правда, это опровергнет десятилетия астрономических открытий. Но помимо этих данных, нет ни малейших оснований сомневаться в том, что Вселенная плоская. Все другие измерения реликтового излучения, такие как измерения Космологического телескопа Атакама (ACT) в Чили и зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона, согласуются с плоскостностью. Данные из других источников, в первую очередь барионных акустических колебаний - отпечатков, оставленных 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 одному-единственному выбросу. «В статье Мельхиорри нет ничего смешного, - говорит Спергель, - поскольку она действительно описывает особенность данных Планка, которая способствует положительной кривизне. «Но, - добавляет он, - когда вы пойдете и получите больше данных, вы увидите довольно последовательную 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 Planck. Они не нашли «никаких доказательств отклонения от плоскостности, подтверждающих интерпретацию, что [отклонение Планка] является статистическим колебанием». Другие анализы со времени публикации статьи Мельхиорри, в том числе в феврале прошлого года космологи Кембриджского университета Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон пришли к такому же выводу. По их мнению, обновлять модель ΛCDM не нужно.
Так что, по крайней мере, на данный момент, Вселенная кажется трехмерным листом бумаги. Но так же, как Мельхиорри не настаивает, что он действительно закрыт, не все ученые настаивают на том, что он на самом деле плоский - именно так это выглядит с нашей точки зрения. Наши наблюдения по определению ограничены наблюдаемой Вселенной, поэтому мы могли что-то упустить.
Однако, если Вселенная изогнута, она должна быть настолько колоссальной, что все 93 миллиарда световых лет, которые мы видим, не являются большей ее частью, чтобы выявить кривизну. Если взять пример с Земли, говорит Граттон, это может быть так, как если бы 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 говорим о том небольшом кусочке Вселенной, который мы можем видеть, это согласуется с тем, что она является частью [трехмерного аналога] плоской поверхности».