Физики уточнили возможные размеры Вселенной
Большинство современных космологических моделей описывает Вселенную как пространство с определённой геометрией — плоской, положительно или отрицательно искривлённой (то есть похожей на плоскость, сферу или «седло»).
Однако геометрия и топология — не одно и то же. Первая отвечает за то, как пространство «изгибается» в малых масштабах, вторая — за его глобальное устройство.
Поэтому пространство с одинаковой геометрией может иметь разную топологию. В зависимости от этого сочетания Вселенная может быть как бесконечной, так и конечной, но при этом не иметь границ.
Астрономы изучают лишь наблюдаемую часть космоса — область, свет из которой успел дойти до нас за всё время существования Вселенной. По современным оценкам (данные миссий WMAP и Planck), её диаметр составляет около 93 миллиардов световых лет.
Всё, что за пределами этой области, пока недоступно прямым наблюдениям, поэтому о глобальном устройстве космоса учёные судят по косвенным признакам.
Новый обзор коллаборации COMPACT, подготовленный для престижного журнала, посвящён поиску именно таких признаков — десятилетиям исследований космической топологии, раздела космологии, изучающего глобальную форму пространства.
Главные мысли за 1 минуту:
- Если Вселенная «замкнута» особым образом, свет от далёких объектов может достигать наблюдателя по нескольким маршрутам, создавая повторяющиеся изображения — так проявляется нетривиальная топология.
- Главный инструмент поиска — реликтовое излучение: оно заполняет всё небо, и любые особенности глобальной структуры пространства должны оставлять в нём характерные следы.
- Самый известный метод — поиск «совпадающих кругов» в реликтовом излучении, который пока не дал убедительных результатов, но это не исключает других, более тонких статистических эффектов.
- Новые подходы (анализ поляризации реликтового излучения, трёхмерные карты распределения галактик) обладают гораздо большей чувствительностью.
- Будущие наблюдения (миссия LiteBIRD, крупные обзоры галактик) могут наконец выявить сигнатуры нетривиальной топологии, что станет одним из важнейших открытий.
Если Вселенная действительно «замкнута» особым образом, свет от далёких объектов может распространяться по нескольким маршрутам и достигать наблюдателя с разных сторон.
В этом случае в принципе могут возникать повторяющиеся изображения одних и тех же областей космоса.
Такие эффекты рассматривают как возможные проявления сложной глобальной структуры пространства — так называемой нетривиальной топологии, при которой пространство может быть устроено куда сложнее, чем в простейших космологических моделях.
Совпадающие круги: метод и его неоднозначность
Одним из главных инструментов поиска таких эффектов остаётся реликтовое излучение — слабое микроволновое свечение, сохранившееся со времён, когда Вселенной было около 380 тысяч лет.
Поскольку оно заполняет всё небо, любые особенности глобальной структуры пространства должны оставлять в нём характерные следы.
Самым известным методом долго оставался поиск так называемых совпадающих кругов. Суть в том, что если пространство замкнуто определённым образом, наблюдатель может видеть одну и ту же область ранней Вселенной в разных направлениях — тогда на карте реликтового излучения должны появляться пары кругов с одинаковым рисунком температурных колебаний.
Хотя подобные сигналы искали в данных спутников WMAP и Planck, убедительных признаков сложной глобальной структуры пространства обнаружить не удалось.
Почему это не конец истории
Отсутствие результатов, однако, не означает, что такая возможность вообще исключена. Большинство анализов охватывали лишь ограниченный набор моделей и не рассматривали всё разнообразие возможных форм пространства.
Более того, признаки нетривиальной топологии могут проявляться не только в виде совпадающих кругов.
Различные варианты глобального устройства Вселенной должны оставлять более тонкие статистические следы в реликтовом излучении — например, создавать необычные корреляции между удалёнными участками неба.
Новые инструменты: поляризация и трёхмерные карты
Разработанные в последние годы математические методы поиска таких эффектов показали, что их чувствительность может быть много выше прежних подходов.
Особенно интересны наблюдения поляризации реликтового излучения — особого рисунка в древнем свете Вселенной, сохранившего информацию о её ранней истории.
Готовящаяся космическая миссия LiteBIRD, например, сможет измерить её с беспрецедентной точностью. Если топологические эффекты действительно присутствуют, новые данные помогут их обнаружить.
То же верно в отношении крупных обзоров распределения галактик, с помощью которых можно исследовать структуру наблюдаемой Вселенной уже не на двумерной карте неба, а в трёх измерениях.
Итоги: вопрос остаётся открытым
На сегодня ни одна из гипотез нетривиальной топологии не получила подтверждения. Авторы обзора, однако, оставили этот вопрос открытым. Если же будущие наблюдения помогут выявить её признаки, это станет одним из важнейших открытий современной науки и позволит впервые определить не только геометрию, но и глобальную форму Вселенной.