Теория противоречит общепринятой идее, что вселенная растягивается бесконечно во всех направлениях.
Более 2000 лет назад древние греки выяснили, что Земля круглая, а не плоская. Теперь исследователи считают, что то же самое может быть верно для всей вселенной.
Джозеф Силк, космолог из Университета Джона Хопкинса, и его коллеги недавно проанализировали данные из проекта Европейского космического агентства Planck Collaboration, которые в период с 2009 по 2013 год составили карту космического микроволнового фона. Это струя радиации низкого уровня, которая заполняет небо.
Космологи исследовали данные Планка о CMB — остатке первого света, который затопил Вселенную после большого взрыва более 13 миллиардов лет назад, — чтобы лучше понять условия в ранней Вселенной и восстановить то, как космос развивался с течением времени.
Решение 1: большой проблемы со сферической вселенной.
В то время как CMB является довольно равномерным и довольно тусклым, он, тем не менее, отображает незначительные пики и впадины по интенсивности, как горячие и холодные точки на температурной карте. Эти крошечные колебания представляют изменения в плотности энергии ранней вселенной. И эти вариации в конечном итоге привели к различиям в плотности материи, причем горячие точки порождают скопления галактик, которые теперь разбросаны по небу, как семена, приносящие плоды в небесном саду, — хотя следы самих семян остаются неизменными в CMB.
Однако Силк и его коллеги заметили нечто странное в данных Планка: пики в CMB оказались более плавными, чем прогнозировалось. Они связывают это с явлением, называемым гравитационным линзированием, когда свет CMB изгибается и рассеивается под действием силы тяжести — в этом случае гравитация, создаваемая темной материей, невидимым экзотическим материалом, составляющим примерно четверть Вселенной. И все же астрономы уже знают, сколько существует темной материи, и этого недостаточно для учета гравитационного линзирования, указанного в данных Планка.
В своей статье в Nature Astronomy Силк и его партнеры смогли устранить это несоответствие, введя в свои уравнения новый параметр: небольшую кривизну в ткани вселенной.
Идея искривленной вселенной не нова. Эйнштейна общей теории относительности допускает вселенную принимать различные формы, от плоской к сферической оседлать. Но большинство доступных доказательств указывает на вселенную, которая простирается бесконечно во всех направлениях, как плоский лист бумаги. Запустите луч света в такой вселенной, и он будет всегда уходить прямо в пустоту.
Однако в искривленной, сферической вселенной, подобной той, которую позиционировал Шелк и его команда, этот луч в конечном итоге изгибался и возвращался туда, где и начинался.
Обмен одной аномалии на другую.
Предполагая, что вселенная искривлена, возможно, была решена проблема линзирования, но она имеет свою цену.
Например, точно так же, как есть пики в CMB, астрономы также видят пики в распределении галактик, которые регулярно образуют скопления по небу. В плоской вселенной можно было бы ожидать, что эти два набора пиков — один из древней энергии, другой — из материи, которая возникла из нее, — идеально выровняются, как два изображения, гармонично наложенные друг на друга. Это действительно то, что наблюдают астрономы. Но модель искривленной вселенной, которую построил Силк и его коллеги, предсказывает нечто иное, и наблюдение больше не соответствует расчету.
«Итак, мы перешли от одной аномалии к другой», — объясняет Шелк. Более того, искривленная сферическая вселенная усложняет вычисления постоянной Хаббла — число, которое космологи используют для оценки размера и возраста вселенной — и расходится с теорией инфляции, которая предлагает короткий период быстрого расширения всего лишь доли через секунду после Большого взрыва.
Некоторые крупномасштабные флуктуации в CMB могут возникать естественным образом в искривленной вселенной, но они также могут легко быть случайными — «бросок костей», говорит Силк.
Так что же верить, когда некоторые свидетельства указывают на искривленную вселенную, некоторые на плоскую, а некоторые в двух возможных направлениях одновременно?
По его словам, ранее неизвестное физическое явление, такое как прилив энергии в ранней вселенной, могло бы объяснить некоторые из этих расхождений. Или они могут просто возникнуть из-за ошибок в данных.
Также возможно, однако, что данные в порядке, а вселенная действительно искривлена, и эта возможность может быть подтверждена дополнительными измерениями CMB, которые сейчас проводят исследователи. Если это правда, теоретики, возможно, должны пересмотреть свои представления о ранней вселенной.
Однако, как человек, привыкший мыслить в терминах космических временных шкал, он готов взглянуть на это с дальнего расстояния.
«Через десятилетия или, может быть, столетия — в конце концов, Земле миллиарды лет — у нас могут быть ответы, которые совсем не похожи на те, о которых мы думаем сейчас».