Поиски топологии Вселенной только начались. Ученые предполагают, что Вселенная может иметь форму пончика
Пол Саттер, Астрофизик29 марта 2023 г. · 5 минут чтения
Флуктуации реликтового излучения Вселенной
Исследование показало, что странные узоры, обнаруженные в отголосках Большого взрыва, вероятно свидетельствуют о более сложной форме нашей Вселенной, хотя астрономы до сих пор были убеждены в ее плоскостности.
Плоскостность Вселенной
Все наблюдения до настоящего момента предполагали, что Вселенная плоская. В геометрии «плоскостность» определяется параллельными линиями, уходящими в бесконечность. Возьмем для примера столешницу: линии, которые начинаются параллельно, останутся такими же, поскольку они проходят по всей длине стола. И посмотрите на Землю: линии долготы начинаются параллельно друг другу на экваторе, но в конечном итоге сходятся на полюсах. Тот факт, что параллельные линии пересекаются говорит о том, что Земля не плоская.
Та же логика применима и к трехмерной вселенной. Например, реликтовое излучение (CMB) — свет, испускаемый, когда космосу было всего 380 000 лет, — теперь находится на расстоянии более 42 миллиардов световых лет и характеризуется крошечными колебаниями температуры по всему небу. Астрономы сравнили прогнозируемый размер этих колебаний с исследовательскими данными. Если последние отличаются от прогнозируемых размеров, значит, что те лучи света, которые исходили параллельно, изменили направление в пространстве-времени, указывая на то, что геометрия Вселенной искривлена. Но те же самые измерения показали, что если не принимать во внимание мелкомасштабные отклонения от галактик и черных дыр, общая геометрия Вселенной плоская.
Различные типы плоскостей
Но существует не только один вид плоскостей. Если начертить на листе бумаги параллельные линии, а затем обернуть один конец бумаги и соединить его с другим, образуя цилиндр, то линии остаются параллельными, поскольку они окружают цилиндр. На языке математики любой цилиндр геометрически плоский, но есть предположение, что он имеет другую топологию. Закройте обе стороны бумаги и у вас получится форма пончика.
Чтобы получить еще один пример подобного рода плоской формы, можно обернуть тонкую полоску бумаги по кругу, но свернуть ее на 180 градусов на одном конце. Конечным результатом будет лента Мёбиуса, которая по-прежнему геометрически плоская, потому что параллельные линии остаются параллельными, даже когда они накладываются друг на друга.
Август Мебиус
Математики обнаружили 18 возможных геометрически плоских 3D-топологий. В каждом из них как минимум в одном случае линии замыкаются на самих себе, иногда они переворачиваются, как лента Мебиуса, а иногда совершают частичные вращения. В такой запутанной Вселенной, если бы мы пригляделись далеко вдаль, то увидели бы (возможно, перевернутую) копию самих себя в гораздо более молодом возрасте. Так, если бы Вселенная имела в поперечнике 1 миллиард световых лет, астрономы увидели бы версию галактики Млечный Путь, которая была 1 миллиард лет назад, а за ней другую копию, сделанную 2 миллиарда лет назад, и так далее. Если бы Вселенная была гигантским пончиком, астрономы могли бы смотреть в двух направлениях, чтобы увидеть такие копии.
Форма Вселенной
Ученые измеряли топологию Вселенной множеством способов, начиная поиском дубликатов рисунков галактик, заканчивая совпадающими кругами в CMB. Все данные свидетельствуют о том, что Вселенная одновременно геометрически плоская и имеет простую развернутую топологию.
Но новая статья за 23 февраля в базе данных препринтов arXiv, говорит о том, что прошлые измерения были более чем ограничены. Примечательно, что исходя из наблюдений Вселенная обертывается вокруг себя только в одном измерении и не имеет более сложной топологии. Кроме того, наблюдения за реликтовым излучением выявили некоторые странные, необъяснимые аномалии, такие как появление крупных узоров там, где их быть не должно.
Фактически, Вселенная со сложной топологией могла бы дать объяснение по крайней мере некоторым аномалиям в реликтовом излучении. Хотя это не железный аргумент в пользу сложных топологий, ученые предложили идеи для более сложных прямых поисков, таких как последующие исследования реликтового излучения. В этом случае где-то на бескрайних просторах нашей извилистой Вселенной может жить наше зеркальное отражение.
