Астрофизики: Вселенная может быть гигантским трехмерным пончиком

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 была конечным бубликом, такие движения были бы возможны, и 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, а это означает, что пространство замкнуто в себе во всех трех измерениях, как трехмерный бублик.

Такая Вселенная была бы конечной, и, согласно их результатам, весь наш космос мог бы быть только примерно в три-четыре раза больше, чем пределы наблюдаемой Вселенной, примерно в 45 миллиардах световых лет от нас.

Физики используют язык общей теории относительности Эйнштейна для объяснения Вселенной. Этот язык 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" (что означает, что 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, в то время как закрытая Вселенная в конечном итоге схлопнется сама по себе.

Множественные наблюдения, особенно на космическом микроволновом фоне (вспышка света, выпущенная, когда нашей Вселенной было всего 380000 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. Там же также топология, которая, как формы могут меняться 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. Эти параллельные линии по-прежнему параллельны: цилиндры геометрически плоские. Теперь возьмите противоположные концы цилиндрической бумаги и соедините их. Это делает форму пончика, 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, многосвязна ли наша Вселенная, что 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 многосвязная Вселенная?

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 является многосвязной, тогда тогда было бы гораздо больше шансов заключить себя в наблюдаемые пределы 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 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.

Карты реликтового излучения, сделанные с помощью таких спутников, как WMAP NASA 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 команда выполнила множество компьютерных симуляций того, как выглядело бы реликтовое излучение, если бы Вселенная была трехмерным тором, что является математическим названием гигантского трехмерного пончика, в котором наш космос соединен 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 многосвязна и конечна в этом масштабе.

"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 наилучшим образом 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 многосвязная Вселенная, которая примерно в три-четыре раза больше нашего наблюдаемого пузыря, лучше всего соответствует данным CMB. 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 догнать и завершить цикл.

Бухерт подчеркнул, что результаты пока предварительные. Инструментальные эффекты также могут объяснить отсутствующие флуктуации в больших масштабах. Тем не менее, интересно представить жизнь на поверхности гигантского пончика.