Астрофизики: Вселенная похожа на гигантский пончик

Наш космос может быть многосвязным во всех трех измерениях.

Представьте себе Вселенную, в которой вы можете направить космический корабль в одном направлении и в конечном итоге вернуться туда, откуда начали. Если бы наша Вселенная имела форму бублика (тора), такие перемещения были бы возможны, и физики, благодаря им, потенциально могли бы измерить ее размер, пишет «Вокруг света. Украина».

Изучая свет из ранней Вселенной, группа исследователей из Центра астрофизических исследований Лионского университета во Франции пришла к выводу, что наш космос может быть многосвязным. Это означает, что пространство может быть замкнуто на себя во всех трех измерениях, как трехмерный бублик. Работа опубликована в журнале «Астрофизика».

Такая Вселенная будет конечной, и, согласно расчетам, представленным в статье, весь наш космос может быть всего в три-четыре раза больше, чем пределы наблюдаемой Вселенной, примерно в 45 миллиардах световых лет от нас.

Для объяснения Вселенной физики используют общую теорию относительности Эйнштейна, которая связывает содержимое пространства-времени с его изгибом и деформацией, определяющими, как части этого содержимого будут взаимодействовать. К примеру, так мы ощущаем силу тяжести.

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

В течение десятилетий астрономы обсуждали природу этой формы: то есть, является ли наша Вселенная «плоской» (это означает, что воображаемые параллельные линии всегда будут параллельны), «закрытой» (параллельные линии в конечном итоге пересекаются) или «открытой» (эти линии расходятся).

Геометрия Вселенной диктует ее судьбу. Плоские и открытые Вселенные будут продолжать расширяться вечно, а закрытая Вселенная в конечном итоге схлопнется сама в себя.

Множественные наблюдения, особенно на космическом микроволновом фоне (вспышка света, выпущенная, когда нашей Вселенной было всего 380 000 лет), твердо установили, что мы живем в плоской Вселенной. Параллельные линии остаются параллельными, и наша Вселенная будет продолжать расширяться.

Но форма — это не только геометрия, но и топология, которая может изменяться при сохранении тех же геометрических правил. Пример: плоский лист бумаги, на котором параллельные линии остаются параллельными. Теперь возьмите два края этой бумаги и скатайте их в цилиндр. Эти параллельные линии по-прежнему параллельны: цилиндры геометрически плоские. Теперь возьмите противоположные концы цилиндрической бумаги и соедините их. Это создаст форму бублика, который также геометрически плоский.

Хотя наши измерения содержимого и формы Вселенной говорят нам о ее плоской геометрии, они не говорят нам о ее топологии. Мы не знаем, многосвязна ли наша Вселенная, что означало бы, что одно или несколько измерений нашего космоса связаны друг с другом.

Посмотрите на свет

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, что одно или несколько измерений замкнуты сами на себя, мы бы знали, что Вселенная конечна в этом измерении. Затем мы могли бы использовать эти наблюдения для измерения общего объема Вселенной.

Но как может быть раскрыта многосвязность Вселенной?

Группа астрофизиков из Ульмского университета в Германии и Лионского университета во Франции изучала космический микроволновый фон (CMB). Когда было выпущено реликтовое излучение, наша Вселенная была в миллион раз меньше, чем сегодня, и поэтому, если наша Вселенная действительно многосвязна, она с гораздо большей вероятностью обернулась 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 в температуре реликтового излучения. Если бы одно или несколько измерений в нашей Вселенной соединились сами с собой, возмущения не могли бы быть больше, чем протяженность этих петель. Иными словами, если пространство ограничено, в нем отсутствуют те длины волн, которые превышают размер пространства.

Установление связи

Карты реликтового излучения, сделанные с помощью спутников, как WMAP NASA и Planck ESA, содержать интригующее количество отсутствующих возмущений. Для того, чтобы установить, могут ли эти отсутствующие возмущения быть вызваны многосвязностью Вселенной, команда провела множество компьютерных симуляций того, как выглядело бы реликтовое излучение, если бы Вселенная была трехмерным тором, в котором наш космос соединен с самим собой во всех трех измерениях. По мнению авторов статьи, многосвязная модель описывает свойства наблюдаемых флуктуаций реликтового излучения лучше, чем стандартная космологическая моделью, в которой наша Вселенная считается бесконечной.

Продолжая моделирование и варьируя размер пространства, команда попыталась вычислить оптимальный размер многосвязной Вселенной, который лучше всего соответствует наблюдениям реликтового излучения. Он оказался примерно в три-четыре раза больше нашего наблюдаемого пузыря.

Технически этот результат означает, что, начав двигаться в одном направлении можно вернуться в точку старта. Но на самом деле это невозможно: поскольку вселенная расширяется со скоростью, вы никогда не сможете завершить этот цикл.

Авторы подчеркивают, что результаты пока предварительные. Отсутствующие флуктуации могут быть вызваны и инструментальными эффектами. Тем не менее, интересно представить себе жизнь на поверхности гигантского пончика.