Содержание
КАКУЮ ФОРМУ ИМЕЕТ НАША ВСЕЛЕННАЯ?
Что общего между листом бумаги, поверхностью стола, бубликом и кружкой?
Двухмерные аналоги евклидовой, сферической и гиперболической геометрий.
Лист Мёбиуса с точкой a на его поверхности, нормалью к ней и маленькой окружностью с заданным направлением v.
Плоский лист бумаги можно склеить в цилиндр и, соединив его торцы, получить тор.
Тор с одной ручкой гомеоморфен сфере с двумя ручками — их топология одинакова.
Если вырезать эту фигуру и склеить из нее куб, станет понятно, как выглядит трехмерный тор, бесконечно повторяющий копии зеленого «червячка», сидящего в его центре.
Трехмерный тор можно склеить из куба, подобно тому, как тор двухмерный — из квадрата. Разноцветные «червячки», путешествующие внутри его, наглядно демонстрируют, какие грани куба склеены вместе.
Куб — фундаментальная область трехмерного тора — разрезан на тонкие вертикальные слои, которые при склеивании образуют кольцо, состоящее из двухмерных торов.
Если две грани исходного куба склеены с поворотом на 180 градусов, образуется 1/2 -повернутое кубическое пространство.
Поворот двух граней на 90 градусов дает 1/4- повернутое кубическое пространство. Попробуйте эти рисунки и аналогичные рисунки на стр. 88 как инверсные стереопары. «Червячки» на неповернутых гранях приобретут объем.
Если в качестве фундаментальной области взять шестигранную призму, склеить каждую ее грань с противоположной напрямую, а шестиугольные торцы с поворотом на 120 градусов, получится 1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство.
Поворот шестиугольной грани перед склейкой на 60 градусов дает 1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство.
Двойное кубическое пространство.
Пластинчатое пространство возникает, если склеить верхнюю и нижнюю стороны бесконечной пластины.
Трубчатые пространства — прямое (А) и повернутое (Б), в котором одна из поверхностей склеена с противоположной с поворотом на 180 градусов.
Карта распределения микроволнового реликтового излучения демонстрирует то распределение плотности материи, которое было 300 тысяч лет назад (показано цветом). Ее анализ позволит определить, какую топологию имеет Вселенная.
‹
›
Открыть в полном размере
В древности люди полагали, что живут на обширной плоской поверхности, хотя и покрытой кое-где горами и впадинами. Это убеждение сохранялось на протяжении многих тысяч лет, пока Аристотель в IV веке до н. э. не заметил, что уходящее в море судно пропадает из виду не потому, что по мере удаления уменьшается до недоступных глазу размеров. Напротив, сначала исчезает корпус корабля, потом паруса и, наконец, мачты. Это привело его к заключению, что Земля должна быть круглой.
За прошедшие тысячелетия сделано множество открытий, накоплен колоссальный опыт. И тем не менее до сих пор остаются без ответа фундаментальные вопросы: конечна или бесконечна Вселенная, внутри которой мы обитаем, и какова ее форма?
Последние наблюдения астрономов и исследования математиков показывают, что форму нашей Вселенной следует искать среди восемнадцати так называемых трехмерных ориентируемых евклидовых многообразий, причем претендовать на нее могут только десять.
НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Любые умозаключения о возможной форме нашей Вселенной должны опираться на реальные факты, полученные из астрономических наблюдений. Без этого даже самые красивые и правдоподобные гипотезы обречены на неудачу. Поэтому посмотрим, что говорят о Вселенной результаты наблюдений.
Прежде всего, заметим, что, в каком бы месте Вселенной мы ни находились, вокруг любой ее точки можно очертить сферу произвольного размера, содержащую внутри пространство Вселенной. Такое несколько искусственное построение говорит космологам, что пространство Вселенной представляет собой трехмерное многообразие (3-многообразие).
Сразу же возникает вопрос: а какое именно многообразие представляет нашу Вселенную? Математики давно установили, что их так много, что полного списка до сих пор не существует. Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму.
И одно из главных таких свойств топологии Вселенной — ее кривизна.
Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы (см. «Наука и жизнь» №№ 11, 12, 1996 г.). Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения (см. «Наука и жизнь» № 12, 1993 г.). Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна.
Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной.
Эти геометрии обладают совершенно разными свойствами. Так, например, в евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна точно 180 градусам. В сферической и гиперболической геометриях это не так. Если на сфере взять три точки и провести между ними прямые, то сумма углов между ними составит больше 180 градусов (вплоть до 360). В гиперболической же геометрии эта сумма меньше 180 градусов. Имеются и другие кардинальные отличия.
Так какую же геометрию для нашей Вселенной выбрать: евклидову, сферическую или гиперболическую?
Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX столетия понимал, что реальное пространство окружающего мира может быть и неевклидовым. Проводя многолетние геодезические работы в Ганноверском королевстве, Гаусс задался целью с помощью прямых измерений исследовать геометрические свойства физического пространства. Для этого он выбрал три удаленные одна от другой горные вершины — Хохенгаген, Инзельберг и Броккен. Стоя на одной из этих вершин, он направлял отраженные зеркалами солнечные лучи на две другие и измерял углы между сторонами огромного светового треугольника.
Тем самым он пытался ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? (Кстати, примерно в это же время российский математик, ректор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский предложил экспериментально исследовать вопрос о геометрии физического пространства, используя звездный треугольник.) Если бы Гаусс обнаружил, что сумма углов светового треугольника отличается от 180 градусов, то последовал бы вывод, что стороны треугольника искривлены и реальное физическое пространство неевклидово. Однако в пределах ошибки измерений сумма углов «проверочного треугольника Броккен — Хохенгаген — Инзельберг» составляла ровно 180 градусов.
Итак, в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает как евклидова (хотя, конечно, экстраполировать выводы Гаусса на всю Вселенную нельзя).
Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод. При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи — относительно больших, медленно движущихся объектов — именно в евклидовой Вселенной.
Другие исследования также подтверждают этот вывод, что резко сокращает количество вероятных претендентов на возможную форму Вселенной.
Еще в тридцатых годах XX столетия математики доказали, что существует только 18 различных евклидовых трехмерных многообразий и, следовательно, только 18 возможных форм Вселенной вместо их бесконечного числа. Понимание свойств этих многообразий помогает экспериментально определить истинную форму Вселенной, так как целенаправленный поиск всегда эффективнее поиска вслепую.
Однако число возможных форм Вселенной можно сократить еще. Действительно, среди 18 евклидовых 3-многообразий имеется 10 ориентируемых и 8 неориентируемых. Поясним, что представляет собой понятие ориентируемости. Для этого рассмотрим интересную двухмерную поверхность — лист Мёбиуса. Его можно получить из прямоугольной полоски бумаги, перекрученной один раз и склеенной концами. Теперь возьмем на листе Мёбиуса точку а, проведем к ней нормаль (перпендикуляр), а вокруг нормали начертим небольшую окружность с направлением против часовой стрелки, если смотреть из конца нормали.
Начнем перемещать точку вместе с нормалью и направленной окружностью по листу Мёбиуса. Когда точка обойдет весь лист и вернется в исходное положение (зрительно она будет на другой стороне листа, но в геометрии поверхность толщины не имеет), направление нормали изменится на обратное, а направление окружности — на противоположное. Такие траектории называются путями, обращающими ориентацию. А поверхности, имеющие их, называют неориентируемыми или односторонними. Поверхности же, на которых не существует обращающих ориентацию замкнутых путей, например сфера, тор и неперекрученная лента, называют ориентируемыми или двухсторонними. Заметим кстати, что лист Мёбиуса представляет собой евклидово неориентируемое двухмерное многообразие.
Если допустить, что наша Вселенная — неориентируемое многообразие, то физически это означало бы следующее. Если мы полетим с Земли вдоль замкнутой петли, обращающей ориентацию, то, конечно, вернемся домой, но окажемся в зеркальной копии Земли. Мы не заметим в себе никаких изменений, но по отношению к нам у остальных жителей Земли сердце окажется справа, все часы пойдут против часовой стрелки, а тексты предстанут в зеркальном отображении.
Маловероятно, что мы живем в таком мире. Космологи полагают, что если бы наша Вселенная была неориентируемой, то происходило бы излучение энергии из пограничных зон, в которых взаимодействуют материя и антиматерия. Однако ничего подобного никогда не наблюдалось, хотя теоретически и можно предположить, что подобные зоны существуют за пределами области Вселенной, доступной нашему взгляду. Поэтому резонно исключить из рассмотрения восемь неориентируемых многообразий и ограничить возможные формы нашей Вселенной десятью ориентируемыми евклидовыми трехмерными многообразиями.
ВОЗМОЖНЫЕ ФОРМЫ ВСЕЛЕННОЙ
Трехмерные многообразия в четырехмерном пространстве необычайно трудны для наглядного представления. Однако можно попытаться представить себе их структуру, если применить подход, используемый в топологии для визуализации двухмерных многообразий (2-многообразий) в нашем трехмерном пространстве. Все объекты в нем считаются как бы сделанными из какого-то прочного эластичного материала вроде резины, допускающего любые растяжения и искривления, но без разрывов, складок и склеек.
В топологии фигуры, которые можно с помощью таких деформаций преобразовывать одну в другую, называют гомеоморфными; они имеют одинаковую внутреннюю геометрию. Поэтому с точки зрения топологии бублик (тор) и обычная чашка с ручкой — одно и то же. А вот футбольный мяч перевести в бублик невозможно. Эти поверхности топологически различны, то есть имеют различные внутренние геометрические свойства. Однако если на сфере вырезать круглую дырку и приделать к ней одну ручку, то получившаяся фигура уже будет гомеоморфна тору.
Существует множество поверхностей, которые топологически отличны от тора и сферы. Например, добавив к тору ручку, подобную той, что мы видим у чашки, мы получим новую дырку, а значит, и новую фигуру. Тор с ручкой будет гомеоморфен фигуре, напоминающей крендель, которая в свою очередь гомеоморфна сфере с двумя ручками. Добавление каждой новой ручки создает еще одну дырку, а значит, и другую поверхность. Таким способом можно получать бесконечное их количество.
Все такие поверхности называются двухмерными многообразиями или просто 2-многообразиями.
Это означает, что вокруг любой их точки можно очертить окружность произвольного радиуса. На поверхности Земли можно нарисовать круг, содержащий ее точки. Если мы видим только такую картину, резонно считать, что она представляет собой бесконечную плоскость, сферу, тор или вообще любую другую поверхность из бесконечного числа торов или сфер с различным числом ручек.
Эти топологические формы могут быть довольно сложны для понимания. И чтобы легче и отчетливее представи ть их себе, склеим цилиндр из квадратного листа бумаги, соединив его левую и правую стороны. Квадрат в этом случае называется фундаментальной областью для тора. Если теперь мысленно склеить основания цилиндра (материал цилиндра эластичен), получится тор.
Представим себе, что есть некое двухмерное существо, скажем насекомое, движение которого по поверхности тора нужно исследовать. Сделать это непросто, и гораздо удобнее наблюдать его движение по квадрату — пространству с той же топологией. Этот прием имеет два преимущества.
Во-первых, позволяет наглядно увидеть путь насекомого в трехмерном пространстве, следя за его перемещением в двухмерном пространстве, а во-вторых, позволяет оставаться в рамках хорошо развитой евклидовой геометрии на плоскости. В евклидовой геометрии содержится постулат о параллельных прямых: для любой прямой линии и точки вне ее существует единственная прямая, параллельная первой и проходящая через эту точку. Кроме того, сумма углов плоского треугольника в точности равна 180 градусам. Но поскольку квадрат описывается евклидовой геометрией, мы можем распространить ее на тор и утверждать, что тор — евклидово 2-многообразие.
Неразличимость внутренних геометрий для самых разных поверхностей связана с важной их топологической характеристикой, называемой развертываемостью. Так, поверхности цилиндра и конуса выглядят совершенно различными, но тем не менее их геометрии абсолютно одинаковы. Обе они могут быть развернуты в плоскости без изменения длин отрезков и углов между ними, поэтому для них справедлива евклидова геометрия.
Это же относится и к тору, поскольку он представляет собой поверхность, развертывающуюся в квадрат. Такие поверхности называют изометричными.
Бесчисленное число торов можно сформировать и из других плоских фигур, например из различных параллелограммов или шестиугольников, склеивая их противоположные края. Однако для этого годится далеко не каждый четырехугольник: длины его склеенных сторон должны быть одинаковы ми. Такое требование необходимо, чтобы избежать при склейке удлинений или сжиманий краев области, которые нарушают евклидову геометрию поверхности.
Теперь перейдем к многообразиям большей размерности.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ФОРМ ВСЕЛЕННОЙ
Попробуем представить себе возможные формы нашей Вселенной, которые, как мы уже видели, надо искать среди десяти ориентируемых евклидовых трехмерных многообразий.
Для представления евклидова 3-многообразия применим использованный выше метод для двухмерных многообразий. Там мы использовали в качестве фундаментальной области тора квадрат, а для представления трехмерного многообразия станем брать трехмерные объекты.
Возьмем вместо квадрата куб и подобно тому, как мы склеивали противоположные края квадрата, склеим вместе противоположные грани куба во всех их точках.
Получившийся трехмерный тор представляет собой евклидово 3-многообразие. Если мы каким-то образом оказались бы в нем и посмотрели вперед, то увидели бы свой затылок, а также свои копии в каждой грани куба — впереди, сзади, слева, справа, вверху и внизу. За ними мы бы увидали бесконечное множество других копий, подобно тому, как если бы оказались в комнате, где стены, пол и потолок покрыты зеркалами. Но изображения в трехмерном торе будут прямыми, а не зеркальными.
Важно отметить круговую природу этого и многих других многообразий. Если бы Вселенная действительно имела такую форму, то, покинув Землю и летя без каких-либо изменений курса, мы в конце концов вернулись бы домой. Нечто подобное наблюдается и на Земле: двигаясь на запад вдоль экватора, мы рано или поздно вернемся в исходную точку с востока.
Разрезав куб на тонкие вертикальные слои, мы получим набор квадратов.
Противоположные края этих квадратов должны быть склеены вместе, потому что они составляют противоположные грани куба. Так что трехмерный тор оказывается кольцом, состоящим из двухмерных торов. Вспомним, что передний и задний квадраты также склеены и служат гранями куба. Топологи обозначают такое многообразие как T2xS1, где T2 означает двухмерный тор, а S1 — кольцо. Это пример связки, или пучка, торов.
Трехмерные торы могут быть получены не только с помощью куба. Подобно тому как параллелограмм образует 2-тор, склеивая противоположные грани параллелепипеда (трехмерного тела, ограниченного параллелограммами), мы создадим 3-тор. Из разных параллелепипедов образуются пространства с различными замкнутыми путями и углами между ними.
Эти и все другие конечные многообразия очень просто включаются в картину расширяющейся Вселенной. Если фундаментальная область многообразия постоянно расширяется, образованное ею пространство будет расширяться тоже.
Каждая точка в расширяющемся пространстве все дальше отдаляется от остальных, что в точности соответствует космологической модели. При этом, однако, нужно принять во внимание, что точки вблизи одной грани всегда будут соседствовать с точками на противоположной грани, поскольку, вне зависимости от размера фундаментальной области, противоположные грани склеены.
Следующее трехмерное многообразие, похожее на трехмерный тор, называется 1/2—повернутое кубическое пространство. В этом пространстве фундаментальной областью снова служит куб или параллелепипед. Четыре грани склеены как обычно, а оставшиеся две, передняя и задняя, склеены с поворотом на 180 градусов: верхняя часть передней грани приклеена к нижней части задней. Если бы мы оказались в таком многообразии и посмотрели на одну из этих граней, то увидели бы собственную копию, но перевернутую вверх ногами, за ней обычную копию и так до бесконечности. Подобно трехмерному тору, фундаментальная область 1/2-повернутого кубического пространства может быть нарезана на тонкие вертикальные слои, так что при склейке получится снова пучок двухмерных торов, с той только разницей, что на этот раз передний и задний торы склеены с поворотом на 180 градусов.
1/4-повернутое кубическое пространство получается так же, как предыдущее, но с поворотом на 90 градусов. Однако поскольку поворот осуществляется только на четверть, оно может получиться не из всякого параллелепипеда — его передняя и задняя части должны быть квадратами, чтобы избежать искривления и перекашивания фундаментальной области. В передней грани куба мы увидели бы за своей копией еще одну, повернутую относительно ее на 90 градусов.
1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство использует в качестве фундаментальной области не куб, а шестиугольную призму. Для его получения нужно склеить каждую грань, представляющую собой параллелограмм, с ее противоположной гранью, а две шестиугольные грани — с поворотом на 120 градусов. Каждый шестиугольный слой этого многообразия — тор, и, таким образом, пространство также представляет собой пучок торов. Во всех шестиугольных гранях мы увидели бы копии, повернутые на 120 градусов относительно предыдущей, а копии в гранях — параллелограммах — прямые.
1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство сконструировано подобно предыдущему, но с той разницей, что передняя шестиугольная грань приклеена к задней с поворотом на 60 градусов. Как и прежде, в получившемся пучке торов оставшиеся грани — параллелограммы — приклеены одна к другой непосредственно.
Двойное кубическое пространство радикально отличается от предыдущих многообразий. Это конечное пространство уже не является пучком торов и имеет необычную структуру склейки. Двойное кубическое пространство, однако, использует простую фундаментальную область, которая представляет собой два куба, расположенных один на другом. При склейке не все грани соединяются напрямую: верхние передняя и задняя грани приклеиваются к граням, расположенным непосредственно под ними. В этом пространстве мы бы видели себя в своеобразной перспективе — ступни ног оказались бы прямо перед глазами.
На этом заканчивается список конечных ориентируемых евклидовых трехмерных, так называемых компактных многообразий.
Вполне вероятно, что среди них и нужно искать форму нашей Вселенной.
Многие космологи полагают, что Вселенная конечна: трудно представить себе физический механизм возникновения бесконечной Вселенной. Тем не менее рассмотрим четыре оставшихся ориентируемых некомпактных евклидовых трехмерных многообразия, пока не получены реальные данные, исключающие их существование.
Первое и самое простое бесконечное трехмерное многообразие — евклидово пространство, которое изучается в средней школе (оно обозначается R3). В этом пространстве три оси декартовых координат простираются до бесконечности. В нем мы не видим никаких своих копий, ни прямых, ни повернутых, ни перевернутых.
Следующее многообразие — так называемое пластинчатое пространство, фундаментальной областью которого служит бесконечная пластина. Верхняя часть пластины, представляющая собой бесконечную плоскость, приклеивается напрямую к ее нижней части, также бесконечной плоскости. Эти плоскости должны быть параллельны одна другой, но могут быть произвольно сдвинуты при склейке, что несущественно, учитывая их бесконечность.
В топологии это многообразие записывается как R2xS1, где R2 обозначает плоскость, а S1 — кольцо.
Последние два 3-многообразия используют в качестве фундаментальных областей бесконечно длинные трубки. Трубки имеют четыре стороны, их сечения представляют собой параллелограммы, они не имеют ни верха, ни низа — четыре их стороны простираются бесконечно. Как и раньше, характер склейки фундаментальной области определяет форму многообразия.
Трубчатое пространство формируется посредством склейки обеих пар противоположных сторон. После склеивания первоначальное сечение в виде параллелограмма становится двухмерным тором. В топологии это пространство записывается как произведение T2xR1.
Повернув на 180 градусов одну из склеиваемых поверхностей трубчатого пространства, получим повернутое трубчатое пространство. Этот поворот с учетом бесконечной длины трубки придает ему необычные характеристики. Например, две точки, расположенные очень далеко одна от другой, по разным концам фундаментальной области, после склейки окажутся рядом.
Какова же все-таки форма нашей Вселенной?
Чтобы из приведенных выше десяти евклидовых 3-многообразий выбрать одно в качестве формы нашей Вселенной, необходимы дополнительные данные астрономических наблюдений.
Проще всего было бы отыскать копии нашей Галактики в ночном небе. Обнаружив их, мы сможем установить характер склейки фундаментальной области Вселенной. Если окажется, что Вселенная представляет собой 1/4-повернутое кубическое пространство, то прямые копии нашей Галактики будут видны с четырех сторон, а повернутые на 90 градусов — с оставшихся двух. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, этот способ мало пригоден для установления формы Вселенной.
Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому, наблюдая Вселенную, мы, в сущности, смотрим в прошлое. Даже если мы однажды обнаружим изображение нашей Галактики, то не сможем узнать ее, потому что в свои «молодые годы» она выглядела совершенно иначе. Слишком сложно из огромного количества галактик узнать копию нашей.
В начале статьи говорилось, что Вселенная имеет постоянную кривизну. Однородность космического микроволнового фонового излучения прямо указывает на это. Однако оно имеет легкие пространственные вариации, примерно 10-5 кельвинов, показывающие, что в ранней Вселенной имели место незначительные флуктуации плотности вещества. Когда расширяющаяся Вселенная остывала, материя в этих областях со временем создала галактики, звезды и планеты. Карта микроволнового излучения позволяет посмотреть в прошлое, во времена первоначальных неоднородностей, увидеть наметки Вселенной, которая была тогда в тысячу раз меньше. Чтобы оценить значение этой карты, рассмотрим гипотетический пример: Вселенная в виде двухмерного тора.
В трехмерной Вселенной мы наблюдаем небо по всем направлениям, то есть в пределах сферы. Двухмерные жители двухмерной Вселенной смогли бы наблюдать его только в пределах круга. Если бы этот круг был меньше фундаментальной области их Вселенной, они не могли бы получить никаких указаний о ее форме. Если, однако, круг видения двухмерных созданий больше фундаментальной области, они смогли бы увидеть пересечения и даже повторение образов Вселенной и попытаться найти точки с одинаковыми температурами, которые соответствуют одной и той же ее области. Если в их круге видения оказалось бы достаточно много таких точек, они смогли бы заключить, что живут в торовой Вселенной.
Несмотря на то, что мы живем в трехмерной Вселенной и видим сферическую область, перед нами встает та же проблема, что и перед двухмерными созданиями. Если наша сфера видения меньше фундаментальной области Вселенной 300 000-летней давности, мы ничего необычного не увидим. В противном случае сфера будет пересекать ее по кругам. Обнаружив два круга, имеющих одинаковые вариации микроволнового излучения, космологи смогут сравнить их ориентацию. Если круги расположены крест-накрест, это будет означать наличие склейки, но без поворота. Некоторые из них, однако, могут сочетаться в соответствии с поворотом на четверть или на половину.
Если этих кругов удастся обнаружить достаточно много, тайна фундаментальной области Вселенной и ее склейки будет раскрыта.
Однако до тех пор, пока не появится точная карта микроволнового излучения, космологи никаких заключений сделать не смогут. В 1989 году исследователи из НАСА попытались создать карту реликтового излучения космического пространства. Однако угловое разрешение спутника составляло порядка 10 градусов, что не позволило сделать точные измерения, удовлетворяющие космологов. Весной 2002 года НАСА предприняло вторую попытку и запустило зонд, который нанес на карту температурные флуктуации с угловым разрешением уже порядка 0,2 градуса. В 2007 году Европейское космическое агентство планирует использовать спутник «Планк», имеющий угловое разрешение 5 дуговых секунд.
Если запуски пройдут успешно, то в течение четырех-десяти лет будут получены точные карты флуктуаций реликтового излучения. И если размер сферы нашего видения окажется достаточно большой, а измерения — достаточно точными и надежными, мы наконец узнаем, какую форму имеет наша Вселенная.
По материалам журналов «American Scientist» и «Popular Science».
В мирах, столь отдаленных.
Планеты, звезды, галактики — человек давно вглядывается в ночное небо в поисках других миров, но теперь ставки повысились. Ученым стало тесно в родной реальности, и они ищут признаки других вселенных в реликтовом излучении — самом древнем сигнале, испущенном тысячелетия спустя Большого взрыва. Зачем это нужно и что уже получилось — в материале «Чердака».
Созвездие Большой Медведицы — семь ярких звезд, рисующих гигантский ковш, и десятки тусклых бусин, разбросанных между ними. На этом лоскуте небесной ткани в 2016 году космический телескоп «Хаббл» разглядел крошечное красноватое пятно неправильной формы — галактику GN-z11.
Эта галактика — самый удаленный от Земли астрономический объект, который фиксировали люди. Свет, пойманный «Хабблом», GN-z11 испустила 13,4 млрд лет назад, задолго до появления Солнечной системы — на заре формирования Вселенной.
Так давно, что за время космического путешествия этого сигнала сама галактика из-за расширения Вселенной убежала от нас на расстояние более 30 млрд световых лет.
GN-z11 — наш форпост на границе с космической неизвестностью. Вселенная существует около 13,8 млрд лет, а свет GN-z11 родился спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва. Если перевести всю историю Вселенной на 24 часа земных суток — это где-то в половине первого ночи. Поэтому увидеть объекты, удаленные от Земли намного дальше GN-z11, нереально — свет даже самых первых секунд их существования до нас не дошел.
Что находится за этой завесой времени, можно только гадать. Скорей всего, там тоже есть свои галактики, луны и атомы, разделенные бесконечными пустотами и закрученные теми же (или немного другими) законами физики.
Казалось бы, какой простор для фантазии. Забраться на удаленный мыс на краю света и под шум прибоя представлять себе другую Землю, населенную людьми. Они в триллионах световых лет от нас, там, посреди иного молчания Вселенной, тоже думают, что одиноки в этом мире, и еще не знают, что однажды наши одиночества встретятся.
Но ученым мало таких фантазий — вместо вестей с других космических континентов нашего мира они ищут на ночном небе нечто другое. Признаки других вселенных и других миров.
GN Z-11, самая удаленная от Земли доступная наблюдению галактика. Изображение: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) / CC BY 4.0
Небесная гармония
Иоганн Кеплер, немецкий астроном, живший на рубеже XVI и XVII веков, был помешан на одной странной идее: он считал, что в шести планетах Солнечной системы, известных в его время, идеально воплощается гармония божественного замысла. Он обрабатывал данные наблюдений другого астронома, Тихо Браге, и старался свести траектории планет к пяти «платоновым телам» — правильным многогранникам, описанным еще древними греками.
К концу XVI века небесная головоломка сложилась. Кеплер опубликовал книгу Mysterium Cosmographicum («Тайна мироздания»), в которой орбиты шести известных тогда планет складывались в стройную геометрическую систему, напоминающую матрешку.
Орбита Сатурна (самой дальней на то время планеты) была окружностью на поверхности шара, описанного вокруг куба, внутри этого куба был другой шар с орбитой Юпитера, а внутрь уже юпитерианского шара был вписан тетраэдр — и так далее с идеальным чередованием шаров, вложенных в пять разных многогранников. Полная гармония тел земных и тел небесных.
Прошло несколько лет, и космическая красота Кеплера несколько поблекла. Сначала критики подметили, что небесные сферы и многогранники вписываются друг в друга неаккуратно, а потом сам Кеплер показал, что орбиты планет представляют собой не окружности, а эллипсы, и, разочарованный своими прошлыми идеями, переключился на другую задачу: теперь он искал зашифрованную небесную гармонию в величинах этих эллипсов.
Но время расставило все по местам: ни в формах орбит, ни в их размерах не нашлось никаких зашифрованных закономерностей, скрывающих истинную природу вещей. Только хаос космической пыли, собравшейся в случайные сгустки материи. Импровизация природы с единственным правилом — не забывать про всемирное тяготение и несколько других законов, описывающих мир.
Модель Солнечной системы, построенная на правильных многогранниках. Рисунок из книги Mysterium Cosmographicum. Фото: ETH-Bibliothek Zürich / Public Domain
В физических уравнениях встречаются разные константы, значения которых нельзя вывести из других законов, а можно только запомнить. Скорость света, постоянная Планка, элементарный заряд — странные угловатые числа, будто свалившиеся на нас из ниоткуда. Настоящий фатум.
Многим людям это не по душе, и они пытаются найти константам объяснение. Кто-то за недостатком математического образования ищет тайные шифры природы, другие — пишут сложные уравнения теории струн и квантовой гравитации, чтобы получить значения постоянных из других законов, а третьи просто вытесняют этот вопрос куда-нибудь подальше из своего сознания, чтобы не повторить ошибку Кеплера, всю жизнь искавшего разумное объяснение случайности.
Но ничем хорошим эти стратегии пока не оборачиваются. Вывести константы ни у кого пока не получается, а молчаливо считать их значения простой случайностью несколько странно: они слишком хорошо подобраны друг под друга.
Взять ту же темную энергию: будь ее чуть меньше, ничто бы не помешало гравитации схлопнуть всю материю в одну бесконечно плотную сингулярность, а чуть больше — и под воздействием темной энергии расширялись бы не только свободные от материи, пустые участки Вселенной, но и все небесные тела, атомы которых постепенно растеклись бы по всему миру.
Такая тонкая настройка фундаментальных констант ставит перед необычным выбором: наш мир и его законы становятся в первом приближении либо невероятной случайностью, либо следствием разумного замысла. Одним из способов обойти эту дилемму может быть гипотеза Мультивселенной, по которой в реальном мире существует гораздо больше, быть может даже бесконечное число разных вселенных, и в каждой из них действуют свои законы физики со своими наборами констант: где-то они совершенно не подходят для зарождения разумной жизни, а где-то как будто специально подогнаны под то, чтобы миллионы атомов материи однажды собрались в странноватый, как будто разумный агломерат и задались вопросом: «Где же тогда искать эти другие вселенные, если они так нам нужны?»
Пена вселенных
Как водится, разные ученые под словом «Мультивселенная» понимают совершенно разные вещи.
Одни ищут другие вселенные на бранах — многомерных объектах из теории струн, другие верят во вселенные, рожденные с обратной стороны черных дыр. А третьи предлагают присмотреться к рождению нашей собственной Вселенной, и пока их подход гораздо продуктивнее остальных.
О рождении нашего мира пока известно мало. Где, как, кто родители — никаких документов или свидетелей, способных рассказать о том, почему появилась наша Вселенная и было ли что-нибудь до нее, у нас нет. Но зато по некоторым особенностям взрослой Вселенной ученые могут предположить, что происходило буквально в первые моменты ее жизни, восстановить первый космический вдох мира.
Это называется теорией инфляции. В 80-е года прошлого века физики построили модель, по которой уже через 10-42 секунды после начала времени наша Вселенная начала расширяться так быстро, что за какие-то исчезающие доли секунды кусочек пространства размером с маленький, обласканный прибоем камушек растянулся до огромного видимого нам пузыря диаметром в миллиарды световых лет.
Тогда это пространство было наполнено только чистой энергией, которая непрерывно накачивалась откуда-то из неизвестного источника (ее тоже называют темной энергией, но, по-видимому, она несколько другой природы, чем современная темная), а потом энергия внезапно распалась и превратилась в кварки, фотоны, электроны и другие привычные нам частицы — это случилось через 10-36 секунды после рождения Вселенной, а сам Большой взрыв сейчас часто называют последствием инфляции.
Странно, но эта фантастическая теория неплохо описывает некоторые особенности нашей современной Вселенной, с которыми не могли справиться предыдущие модели:
— Почему видимая нам Вселенная плоская?
— Расширение шло так быстро, что радиус кривизны мира увеличился почти до бесконечности.
— Почему она однородна на больших космических масштабах?
— Вселенная родилась из маленького кусочка пространства, который за мимолетное время расширения просто никак не мог потерять однородность.
— Почему во Вселенной есть только небольшие локальные флуктуации плотности?
— Вселенная была настолько мала, что имела полное право называться квантовым объектом, а значит, в ней были квантовые флуктуации вакуума, подхваченные потом инфляцией и раздутые до первичных флуктуаций плотности материи, из которых за миллиарды лет последующей эволюции уже сформировались все крупные структуры.
Результат моделирования крупномасштабной структуры Вселенной. Светлым показаны скопления галактик, а также облака газа и квазары, темным — разделяющие их пустоты. Изображение: Andrew Pontzen and Fabio Governato / CC BY 3.0
В этой истории рождения Вселенной как всегда много фундаментальных вопросов: из-за чего началась инфляция, что ее подпитывало, почему она закончилась. Ученые ищут на них ответы, но часто вместо этого получают совершенно неожиданные результаты. Так, один из главных авторов теории инфляции советский физик Андрей Линде (сейчас он уже давно живет и работает в США) в 1983 году сформулировал теорию хаотической инфляции, в которой показал, что невероятное расширение пространства совсем не обязано заканчиваться в других частях нашего мира и уж точно вряд ли происходило только один-единственный раз.
По Линде весь мир — это Мультивселенная, огромное, безграничное пространство, заполненное загадочной энергией, которая в любой случайный момент времени может сгуститься в крошечной точке, чтобы инфляцией раздуть ее до гигантского пузыря Вселенной с начинкой из разнообразной эволюционирующей материи. Так могла родиться наша Вселенная, а параллельно где-нибудь неподалеку от нее — всего в нескольких триллионах световых лет — мог сгуститься один, второй, третий пузырь иных вселенных.
В теории инфляции гипотеза Мультивселенной выглядит уже не уловкой, единственным удобным выходом из дилеммы фатальной случайности и замысла, а получается логическим математическим путем: если человек принимает теорию инфляции, то он должен принять и другие вселенные. Не всем это нравится. Например, американский космолог Пол Стейнхардт, который участвовал в проработке некоторых деталей теории инфляции, после выхода на сцену других вселенных разочаровался в своих взглядах и теперь говорит, что Мультивселенная просто похоронила его любимую теорию.
Многие его коллеги более романтичны и для всей этой истории придумали даже красивую метафору «пены вселенных»: морской берег и волны в безвестной дали, шум прибоя, треск цикад — мы живем в маленьком пузырьке посреди огромной Мультивселенной.
Смутные воспоминания
Увидеть, услышать, почувствовать иные вселенные непросто. Другие законы физики, другие константы — быть может, даже не подозревающие об электромагнитных волнах, на которых построено наше зрение, — наконец, огромные расстояния между разными пузырями вселенных. Получить сигнал о том, что прямо сейчас происходит в параллельном мире, кажется просто нереальным, но можно поступить по-другому — заглянуть в прошлое. Как континенты, разделенные океанами, хранят следы общего прошлого в узорах береговых линий, так и данные о прошлом нашей Вселенной могут скрывать другие миры. Поэтому в поисках других вселенных ученые пристально смотрят на реликтовое излучение — первое воспоминание нашей собственной Вселенной.
Сразу после окончания инфляции Вселенная была заполнена настолько горячим и плотным веществом, что фотоны не могли пройти через него далеко и постоянно рассеивались и переизлучались.
Будь в том мире разумный наблюдатель (способный жить при невероятно высоких температурах и с целым букетом других космических ограничений), он бы видел только то, что происходит в непосредственной близости от него. Но Вселенная постепенно расширялась и остывала, и спустя 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная внезапно стала прозрачна для света на больших расстояниях.
Реликтовое излучение — это первые фотоны, излученные тогда в самых далеких уголках Вселенной и спустя миллиарды лет наконец дошедшие до Земли. Мы не знаем, как и где родилась наша Вселенная, но зато можем разглядывать это первое воспоминание, выходящее из-под завесы младенческого беспамятства, чтобы в нем отыскать смутные отзвуки пропавших братьев и сестер нашего мира.
Карта реликтового излучения, построенная по данным спутника WMAP. Красные цвета изображают горячие области, а синие — холодные. Изображение: NASA / WMAP Science Team / Wikimedia Commons / Public Domain
Реликтовое излучение почти полностью однородно: из каждой точки удаленной Вселенной к нам приходит равномерный тепловой шум, как от тела с температурой 2,7 К.
Однако в этом сигнале все-таки есть крошечные флуктуации — небольшие перепады температуры, которые считают своеобразным отпечатком самых первых квантовых флуктуаций плотности вещества, посеянных во время инфляции. В этих неоднородностях и пытаются найти свидетельства Мультивселенной.
Здесь есть две основные стратегии. Одни ученые ищут следы физического столкновения двух пузырей вселенных. Другие прибегают к более сложным логическим конструкциям. Например, американский космолог Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) считает, что соседние вселенные в первые моменты своего существования не только подчинялись законам квантовой механики, но и были квантово запутанными между собой, поскольку родились в общем пространстве Мультивселенной — их характеристики зависели друг от друга.
В 2008 году Мерсини-Хоутон вместе с коллегами даже сформулировала девять признаков такой созависимости, которые можно отыскать с помощью различных физических наблюдений. Восемь из них приходятся на реликтовое излучение (например, в нем должна быть асимметрия между южной и северной полусферами неба), а девятым свидетельством Мультивселенной должен был стать провал гипотезы суперсимметрии в экспериментах на Большом адронном коллайдере.
Дальше все развивалось несколько противоречиво. В одних работах можно найти экспериментальные подтверждения каждому из девяти признаков, а в других — их опровержения. Например, гипотеза Мультивселенной по выводам Мерсини-Хоутон автоматически означает наличие так называемого темного потока — согласованного движения большой группы галактик, а мнения разных экспериментальных групп по этому вопросу сильно отличаются: одни показывают, что данные реликтового фона темный поток подтверждают, а другие — наоборот, опровергают. Так что реликтовое воспоминание пока кажется все-таки слишком размытым, чтобы делать по нему достоверные выводы о родственниках нашего мира.
Мультивселенная пока остается только симпатичной гипотезой, помогающей разобраться с некоторыми противоречиями и одновременно насладиться волнующей перспективой. Там, где-то в ласковой пене Мультивселенной, существовал или прямо сейчас существует другой пузырь разреженной материи — со своей галактикой Млечный Путь, Солнечной системой и своим Иоганном Кеплером, мечтающим о небесной гармонии.
Красиво, завораживающе и в высшей степени под вопросом — как легенды об Атлантиде и других затонувших материках.
Вне зоны доступа
Самая показательная история здесь — это случай с реликтовым холодным пятном, большой областью в созвездии Эридан, температура излучения которой на 70 микрокельвинов меньше средней температуры реликтового излучения. Это совсем немного для значения в 2,7 кельвина, но почти в четыре раза больше средних флуктуаций температуры по всему реликтовому излучению, которые составляют около 18 микрокельвинов.
Холодное пятно было в списке Мерсини-Хоутон, но позже другие ученые нашли ему интерпретацию попроще. Аномалия реликтового фона объяснялась гигантским супервойдом протяженностью в 1,8 миллиарда световых лет — областью, лишенной галактик или других крупных скоплений материи, расположенной на пути света, бегущего от холодного пятна к Земле.
Однако в этом году группа астрофизиков из Даремского университета заявила, что такое рациональное объяснение нереально.
Ученые собрали данные о семи тысячах галактик в окрестностях холодного пятна и показали, что характер их движения полностью исключает возможность существования гигантского супервойда. Вместо этого данные указывают, что эта область заполнена маленькими войдами, разделенными галактиками и скоплениями галактик.
Однако эта структура, в отличие от отвергнутого супервойда, объясняет холодное пятно уже с большим трудом: по подсчетам исследователей, есть всего один шанс из пятидесяти, чтобы при такой расстановке масс в реликтовом излучении могла случайно получиться такая аномалия.
Вселенная в пределах ближайших 500 млн световых лет от Земли. Предполагаемая протяженность войдов не превышает 100 млн световых лет. Протяженность супервойда, которым объяснялось холодное реликтовое пятно, составляла 1,8 млрд световых лет. Изображение: Richard Powell / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5
И тут показательна реакция авторов исследования на необъяснимое: «Самое впечатляющее следствие нашей работы в том, что холодное пятно, возможно, вызвано столкновением нашей Вселенной с пузырем другой вселенной.
Если в дальнейшем анализ реликтового излучения это подтвердит, то холодное пятно может быть принято как первое свидетельство Мультивселенной». Моментальный, кажется, почти рефлекторный ход: не видишь способа объяснить данные законами этого мира — задействуй Мультивселенную. Магнетической силы притяжения идея, почти недоступная строгой проверке.
Впрочем, все ли, что существует в реальности, должно иметь надежное воплощение в цифрах и измерениях? Если миллиарды лет спустя в нашей Вселенной вдруг станет еще немного больше темной энергии, чем сейчас, то ускоренное расширение пространства начнет растаскивать даже гравитационно связанные между собой объекты — например, соседние галактики. И в один прекрасный день за горизонт небытия уйдет последняя звезда за пределами Млечного Пути. Свет других галактик больше никогда не заблестит на ночном небосклоне. Вряд ли тогда наши отдаленные потомки поверят, что в мире существуют Большие и Малые Магеллановы облака, галактика Андромеды и тем более GN-z11 — красноватая точка на самой границе видимого сегодня мира.
Михаил Петров
Тайна того, насколько велика наша Вселенная на самом деле
Загрузка
Тайна того, насколько на самом деле велика наша Вселенная
(Изображение предоставлено НАСА/Лаборатории реактивного движения-Калтех)
после Большого взрыва, но как быстро? Ответ может показать, что все, что, как мы думали, мы знали о физике, неверно.
L
Начнем с того, что Вселенная большая. Когда мы смотрим в любом направлении, самые дальние видимые области Вселенной находятся примерно в 46 миллиардах световых лет от нас. Это диаметр 540 секстиллионов (или 54 с 22 нулями) миль. Но на самом деле это всего лишь наше лучшее предположение — никто точно не знает, насколько велика Вселенная на самом деле.
Это потому, что мы можем видеть ровно столько, сколько прошел свет (или, точнее, микроволновое излучение, испущенное Большим взрывом) с момента возникновения Вселенной. С тех пор, как Вселенная возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад, с тех пор она расширяется вовне.
Но поскольку мы также не знаем точного возраста Вселенной, сложно определить, насколько далеко она простирается за пределы того, что мы можем видеть.
Одно из свойств, которое астрономы пытались использовать, чтобы помочь им в этом, — это число, известное как постоянная Хаббла.
«Это мера того, насколько быстро Вселенная расширяется в настоящее время», — говорит Венди Фридман, астрофизик из Чикагского университета, посвятившая всю свою жизнь измерениям. «Постоянная Хаббла определяет масштаб Вселенной, ее размер и возраст».
Полезно думать о Вселенной, как о надуваемом воздушном шаре. Чем быстрее звезды и галактики, подобно точкам на поверхности воздушного шара, удаляются друг от друга, тем больше расстояние между ними. С нашей точки зрения, это означает, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется.
Наша галактика Млечный Путь стремительно удаляется от других галактик по мере расширения Вселенной (Фото: Аллан Мортон/Деннис Милон/Science Photo Library) предсказания, основанные на нашем понимании Вселенной.
Один метод ее измерения напрямую дает нам определенное значение, в то время как другой метод измерения, основанный на нашем понимании других параметров Вселенной, говорит нечто иное. Либо измерения неверны, либо что-то не так в том, как, как мы думаем, работает наша Вселенная.
Но теперь ученые считают, что они близки к ответу, во многом благодаря новым экспериментам и наблюдениям, направленным на то, чтобы выяснить, что именно представляет собой постоянная Хаббла.
«Перед нами, космологами, стоит инженерная задача: как нам измерить эту величину как можно точнее и точнее?» — говорит Рэйчел Битон, астроном из Принстонского университета. По ее словам, для решения этой задачи требуется не только собрать данные для их измерения, но и перепроверить измерения всеми возможными способами. «С моей точки зрения, как ученого, это больше похоже на сбор головоломки, чем на то, чтобы оказаться внутри загадки в стиле Агаты Кристи».
Первое измерение постоянной Хаббла в 1929 году астрономом, чье имя она носит, Эдвином Хабблом, показало, что она составляет 500 км в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк), или 310 миль/с/Мпк.
Это значение означает, что на каждый мегапарсек (единица расстояния, эквивалентная 3,26 миллионам световых лет) дальше от Земли, на которую вы смотрите, галактики, которые вы видите, удаляются от нас на 500 км/с (310 миль/с) быстрее, чем галактики, находящиеся на мегапарсек ближе. .
Спустя столетие после первой оценки Хабблом скорости космического расширения это число снова и снова пересматривалось в сторону уменьшения. По сегодняшним оценкам, она составляет где-то между 67 и 74 км/с/Мпк (42-46 миль/с/Мпк).
Часть проблемы заключается в том, что постоянная Хаббла может быть разной в зависимости от того, как вы ее измеряете.
В большинстве описаний несоответствия постоянной Хаббла говорится, что существует два способа измерения ее значения: один смотрит на то, как быстро близлежащие галактики удаляются от нас, а второй использует космический микроволновый фон (CMB), первый свет, который вышел после Большой взрыв.
Мы все еще можем видеть этот свет сегодня, но из-за отдаленных частей Вселенной, удаляющихся от нас, свет превратился в радиоволны. Эти радиосигналы, впервые обнаруженные случайно в 1960-х годов, дают нам самое раннее представление о том, как выглядела Вселенная.
Две конкурирующие силы — гравитационное притяжение и направленное наружу излучение — играли в космическое перетягивание каната со Вселенной в ее младенчестве, что создавало возмущения, которые до сих пор можно увидеть на космическом микроволновом фоне как крошечные различия в температуре.
Используя эти возмущения, можно измерить, насколько быстро Вселенная расширялась вскоре после Большого Взрыва, и затем это можно применить к Стандартной модели космологии, чтобы сделать вывод о скорости расширения сегодня. Эта Стандартная модель — одно из лучших объяснений того, как возникла Вселенная, из чего она состоит и что мы видим вокруг себя сегодня.
Крошечные возмущения в ранней Вселенной можно увидеть в флуктуациях самого старого света во Вселенной — космического микроволнового фона (Фото: NASA/JPL/ESA-Planck)
Но есть проблема. Когда астрономы пытаются измерить постоянную Хаббла, глядя на то, как близлежащие галактики удаляются от нас, они получают другую цифру.
«Если [стандартная] модель верна, то вы можете себе представить, что два значения — то, что вы измеряете сегодня локально, и значение, которое вы выводите из ранних наблюдений, — согласуются», — говорит Фридман. «И они не делают.»
Когда спутник Европейского космического агентства (ЕКА) Planck измерил расхождения в CMB, сначала в 2014 году, а затем снова в 2018 году, значение постоянной Хаббла составило 67,4 км (41,9 мили)/с/Мпк. Но это примерно на 9% меньше, чем значение, которое астрономы, такие как Фридман, измерили, изучая близлежащие галактики.
Дальнейшие измерения реликтового излучения в 2020 году с использованием космологического телескопа Атакама коррелируют с данными Планка. «Это помогает исключить систематическую проблему с Планком из нескольких источников», — говорит Битон. Если измерения реликтового излучения были правильными, остается одна из двух возможностей: либо методы, использующие свет от ближайших галактик, были отключены, либо необходимо изменить Стандартную модель космологии.
Техника, используемая Фридман и ее коллегами, использует особый тип звезд, называемый переменной цефеидой. Эти звезды, открытые около 100 лет назад астрономом Генриеттой Ливитт, меняют свою яркость, пульсируя все слабее и ярче в течение нескольких дней или недель. Ливитт обнаружил, что чем ярче звезда, тем дольше она становится яркой, затем тускнеет, а затем снова становится яркой. Теперь астрономы могут точно сказать, насколько ярка звезда на самом деле, изучая эти импульсы яркости. Измеряя, насколько ярким он кажется нам на Земле, и зная тусклый свет в зависимости от расстояния, он обеспечивает точный способ измерения расстояния до звезд. ( Узнайте больше о том, как Генриетта Ливитт изменила наше представление о Вселенной. )
Фридман и ее команда были первыми, кто использовал переменные цефеиды в соседних галактиках для измерения постоянной Хаббла, используя данные космического телескопа Хаббла. В 2001 году они измерили ее на уровне 72 км (45 миль)/с/Мпк.
С тех пор ценность изучения местных галактик колеблется вокруг одной и той же точки. Используя звезды того же типа, другая команда использовала космический телескоп Хаббла в 2019 году.чтобы получить цифру 74 км (46 миль)/с/Мпк. Затем, всего несколько месяцев спустя, другая группа астрофизиков использовала другую технику, включающую свет, исходящий от квазаров, чтобы получить значение 73 км (45 миль)/с/Мпк.
Если эти измерения верны, то это предполагает, что Вселенная может раздуваться быстрее, чем позволяют теории Стандартной модели космологии. Это может означать, что эта модель — а вместе с ней и наша лучшая попытка описать фундаментальную природу Вселенной — нуждается в обновлении. В настоящее время ответ не определен, но если это окажется так, то последствия могут быть глубокими.
«Это может означать, что в нашей стандартной модели чего-то не хватает, — говорит Фридман. «Мы еще не знаем, почему это происходит, но это возможность для открытия».
Если Стандартная модель неверна, это может означать, что наши модели того, из чего состоит Вселенная, относительного количества барионной или «нормальной» материи, темной материи, темной энергии и излучения не совсем верны. И если Вселенная действительно расширяется быстрее, чем мы думали, она может быть намного моложе принятых в настоящее время 13,8 миллиардов лет.
Пульсирующие звезды, называемые переменными цефеидами, подобные этой, можно использовать для измерения расстояний во Вселенной и определения скорости ее расширения (Фото: NASA/ESA/Hubble Heritage Team)
Вселенная, в которой мы живем, чем-то отличается или особенна по сравнению с остальной Вселенной, и эта разница искажает измерения. «Это далеко не идеальная аналогия, но вы можете подумать о том, как меняется скорость или ускорение вашего автомобиля, если вы поднимаетесь или спускаетесь с холма, даже если вы одинаково нажимаете на педаль газа», — говорит Битон. «Я думаю, что это вряд ли является основной причиной несоответствия постоянной Хаббла, которое мы видим, но я также думаю, что важно не игнорировать работу, проделанную для получения этих результатов».
Но астрономы думают, что они приближаются к тому, чтобы точно определить, что такое постоянная Хаббла и какие измерения верны.
«Что интересно, так это то, что я думаю, что мы действительно решим эту проблему в довольно короткие сроки, будь то год, два или три», — говорит Фридман. «На горизонте появляется так много вещей, которые повысят точность наших измерений, и я думаю, что мы докопаемся до сути».
Одной из них является космическая обсерватория ЕКА Gaia, запущенная в 2013 году и с высокой степенью точности измеряющая положение около миллиарда звезд. Ученые используют это для определения расстояний до звезд с помощью техники, называемой параллаксом. Когда Гайя вращается вокруг Солнца, ее точка обзора в пространстве меняется, подобно тому, как если вы закрываете один глаз и смотрите на объект, а затем смотрите другим глазом, он появляется в немного другом месте. Таким образом, изучая объекты в разное время года на своей орбите, Gaia позволит ученым точно определить, насколько быстро звезды удаляются от нашей собственной Солнечной системы.
Еще одним объектом, который поможет ответить на вопрос о значении постоянной Хаббла, является космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен быть запущен в конце 2021 года. пыль между нами и звездами.
18-сегментное золотое зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба будет улавливать инфракрасный свет от некоторых из первых образовавшихся галактик (Фото: НАСА/Дезире Стовер) это будет время для новой физики. И хотя было предложено множество теорий, объясняющих разницу, ничто не соответствует тому, что мы видим вокруг себя. У каждой потенциальной теории есть оборотная сторона. Например, в ранней Вселенной мог быть другой вид излучения, но мы измерили реликтовое излучение настолько точно, что это маловероятно. Другой вариант заключается в том, что темная энергия может меняться со временем.
«Это казалось многообещающим направлением, но теперь есть другие ограничения на то, насколько темная энергия может меняться в зависимости от времени», — говорит Фридман. «Вам придется сделать это действительно надуманным способом, а это выглядит не очень многообещающе». Альтернативой является то, что в ранней Вселенной существовала темная энергия, которая только что исчезла, но нет никакой очевидной причины, по которой она могла это сделать.
Это заставило ученых придумывать новые идеи, которые могли бы объяснить происходящее. «Люди очень много работают над этим, и это захватывающе», — добавляет Фридман. «То, что никто еще не понял, что [объяснение] еще не означает, что не появится хорошая идея».
В зависимости от того, что покажут эти новые телескопы, Битон и Фридман вполне могут оказаться в эпицентре тайны, достойной романа Агаты Кристи.
* Эбигейл Билл — независимый научный журналист и автор книги «Искусство городской астрономии» .
—
Присоединяйтесь к миллиону поклонников Future , поставив нам лайк в Facebook или подпишитесь на нас в Twitter или Instagram .
Если вам понравилась эта история, подпишитесь на еженедельную рассылку новостей bbc.com под названием «The Essential List». Подборка историй из BBC Future , Культура , Worklife и Путешествия , которые доставляются на ваш почтовый ящик каждую пятницу.
Вселенная сегодня: как все это выглядит сейчас
Инфракрасное/оптическое репрезентативное цветное изображение массивного скопления галактик, расположенного в 7 миллиардах световых лет от Земли. Это скопление весит столько же, сколько 800 триллионов солнц. Галактики со «старым» звездным населением, такие как современные эллиптические, обведены желтым; галактики с «молодым» звездным населением, похожие на современные спирали, обведены синим цветом. Изображения, полученные с помощью инфракрасной камеры на космическом телескопе Спитцер и камеры Mosaic-II на 4-метровом телескопе Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо.
(Изображение предоставлено: Инфракрасное изображение: NASA/JPL-Caltech/М. Бродвин (Гарвард-Смитсоновский CfA) Оптическое изображение: 4-метровый телескоп CTIO Blanco/J. Mohr (LMU Munich)[Полная история])
В 1920-х годах астроном Жорж Леметр предложил то, что стало известно как теория Большого взрыва, которая является наиболее широко принятой моделью для объяснения формирования Вселенной.
В последующие десятилетия физики-теоретики исследовали космос в поисках доказательств, подтверждающих теорию Большого Взрыва. Хотя они пролили свет на многие давние загадки, некоторые из самых новаторских открытий также породили еще более сложные загадки, которые еще предстоит решить.
По мере того, как космологи продолжают собирать воедино детали, связанные с рождением Вселенной примерно 13,7 миллиарда лет назад, они также лучше понимают нашу Вселенную сегодня.
«Это определенно период времени, когда был достигнут огромный прогресс, — сказал Дэвид Спергель, заведующий кафедрой астрофизики Принстонского университета в Принстоне, штат Нью-Джерси. — Когда я был аспирантом в 80-х, мы не знали, возраст Вселенной. Мы не знали ее состава. Мы не понимали происхождения галактик. Мы добились большого прогресса по всем этим темам». [От Большого взрыва до настоящего в 10 простых шагах]
Начало Вселенной
Согласно теории Большого Взрыва, наша Вселенная зародилась как чрезвычайно горячее и чрезвычайно плотное состояние, которое подверглось быстрому и колоссальному расширению.
«Оно было очень горячим, очень плотным и почти однородным», — сказал Спергель SPACE.com. «По мере расширения он становился холоднее и менее плотным».
Но, несмотря на то, что предполагает название теории, происхождение Вселенной на самом деле не было взрывом, сказал Чарльз Беннетт, астрофизик и профессор Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд.0003
«Большинство людей думают о Большом взрыве, как о большом взрыве, произошедшем в космосе, но на самом деле мы имеем в виду не это», — сказал Беннет SPACE.com. «Мы не говорим о взрыве. Лучше думать о росте Вселенной как о чем-то, что произошло одновременно везде».
Космологи не имеют четкого представления о том, что происходило непосредственно перед этим моментом
«Ну, мы могли бы сказать, что оно было горячее и плотнее, но краткий ответ таков: мы не знаем», — сказал Беннетт.
Доли секунды после Большого взрыва — если быть точным, одна триллионная от триллионной триллионной доли секунды — Вселенная начала быстро расширяться в период, известный как инфляция.
В поисках ключей к Большому взрыву
Чтобы изучить раннюю Вселенную, ученые анализируют космический микроволновый фон (CMB), который пронизывает всю Вселенную и содержит остатки Большого взрыва в виде остаточного света и излучения. [Изображения: Возвращение к Большому взрыву]
Эта ценная реликвия видна с помощью микроволновых детекторов, таких как микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона НАСА (WMAP), который был запущен в 2001 году для изучения космического микроволнового фона. Беннетт был главным исследователем миссии WMAP, а Спергель был членом его команды.
«Видя свет от реликтового излучения, то, что мы видим, чувствительно к тому, что произошло до него», — объяснил Беннетт. «Это похоже на то, как увидеть изображение ребенка и сделать вывод о том, что могло вызвать появление ребенка. Нижняя часть облака, но вы можете сделать вывод, что сквозь него пробивается свет. Что-то яркое пробивается сквозь облака, но вы можете не видеть солнца».
По сути, именно так ученые изучают космический микроволновый фон, и, работая в обратном направлении от обнаруженного света и излучения, астрономы могут косвенно измерять флуктуации в ранней Вселенной в первые моменты после Большого взрыва, сказал Шпергель.
Данные прибыльной миссии WMAP, завершившейся в 2010 году, более поздней европейской космической обсерватории Планка, которая была запущена в 2009 году, а также различных других космических и наземных телескопов помогают астрономам понять эволюцию Вселенной. Тем не менее, многие из этих открытий также вызвали новые и сложные вопросы. [Самая полная симуляция Вселенной, визуализированная в 3D]
«У нас есть ответы на множество извечных вопросов, — сказал Беннетт. «Однако у нас есть новые вопросы, которые нужно задать, как это часто бывает, когда у вас есть научные прорывы. Но это разные вопросы, так что это прогресс».
Призрачное кольцо темной материи, плавающее в скоплении галактик ZwCl0024+1652, одно из самых убедительных доказательств существования темной материи на сегодняшний день. Астрономы считают, что кольцо темной материи образовалось в результате столкновения двух гигантских скоплений. (Изображение предоставлено ЕКА/Хаббл)
Старая Вселенная, новые вопросы
В 1960-х и 1970-х астрономы пришли к выводу, что во Вселенной может быть больше массы, чем просто то, что видно. Изучая скорости звезд в различных местах галактик, Вера Рубин, астроном из Института Карнеги в Вашингтоне, заметила, что скорости звезд в центре галактики практически не отличаются от скоростей звезд, находящихся дальше. Казалось, это противоречит основной ньютоновской физике, которая подразумевает, что звезды на окраинах галактики вращаются медленнее.
Таинственная и невидимая масса, которая, как считалось, является причиной этого явления, стала известна как темная материя. [Видео-шоу: План Вселенной]
«Темная материя довольно четко определяется как некий материал, который имеет массу, но не взаимодействует со светом, поэтому нам трудно ее увидеть», — сказал Беннетт. . «Нет никаких сомнений в том, что там есть материал, но мы не знаем, что это такое, и мы еще не идентифицировали его».
Поскольку темная материя имеет массу, она управляется гравитацией. Таким образом, хотя темная материя невидима, ее существование основано на гравитационном притяжении, которое она оказывает на обычную материю.
Считается, что темная материя составляет 23 процента Вселенной, в то время как только 4 процента Вселенной состоит из обычной материи, такой как звезды, планеты и люди.
«Трезво осознавать, что если сложить всю энергию массы, которую мы видим каждый день, то это такая маленькая часть всего этого», — сказал Беннетт.
Скопление галактик Abell 1689 известно тем, что оно искривляет свет в результате явления, называемого гравитационным линзированием. Изучение скопления раскрыло секреты того, как темная энергия формирует Вселенную. (Изображение предоставлено: НАСА, ЕКА, Э. Джулло (JPL/LAM), П. Натараджан (Йель) и Дж. П. Кнейб (LAM))
Ускоряющаяся Вселенная
Но это еще не все. В 1920-х годах астроном Эдвин Хаббл сделал новаторское открытие, что Вселенная не статична, а расширяется. В 1998 году космический телескоп Хаббла, названный в честь астронома, изучал далекие сверхновые звезды и обнаружил, что давным-давно Вселенная расширялась медленнее по сравнению с темпами ее расширения сегодня.
Это открытие озадачило ученых, которые долгое время считали, что гравитация материи будет постепенно замедлять расширение Вселенной или даже заставлять ее сжиматься. Космологи объяснили это ускорение так называемой темной энергией, которая, как считается, является силой, разрывающей космос на части с постоянно увеличивающейся скоростью.
Считается, что темная энергия составляет 73 процента Вселенной, но поскольку эта неуловимая энергия остается незамеченной, она остается одной из самых важных тем в космологии.
Что касается формы Вселенной, миссия WMAP вернула данные, указывающие на то, что Вселенная плоская, сказал Спергель.
«На самом деле мы думаем, что именно инфляция сделала нашу вселенную», — объяснил Беннетт. «Возможно, Вселенная расширилась настолько, что выглядит очень плоской — точно так же, как если бы вы стояли на Земле, она выглядела бы вам плоской, потому что она такая большая».
Будущее космологии
Ученые постоянно стремятся лучше понять происхождение Вселенной и ее эволюцию. И хотя существуют непреходящие загадки, такие как обнаружение темной материи и темной энергии, Спергель и Беннетт уверены, что ответы на некоторые из них будут получены в ближайшие пару лет.
«Я довольно оптимистичен в отношении темной материи, — сказал Беннетт. «Я не могу этого гарантировать, но Большой адронный коллайдер должен ответить на многие наши вопросы. Я думаю, что мы также можем гораздо более серьезно проверить идею инфляции. Я надеюсь, что мы действительно сможем узнать немного больше о начале Вселенной и ускоренного расширения».
Несмотря на трудности, с которыми до сих пор сталкивались астрономы, пытаясь обнаружить темную материю и темную энергию, «никогда не знаешь, что произойдет», — сказал Беннетт. «Многие великие открытия не были предсказаны, например, ускорение Вселенной — этого никто не предсказывал».
Потребовалось чуть больше семи дней, чтобы создать вселенную, какой мы ее знаем сегодня. SPACE.com рассматривает тайны небес в нашей серии из восьми частей: История и будущее космоса . Это 7 часть этой серии.
Вы можете следить за штатным корреспондентом SPACE.com Дениз Чоу в Твиттере @denisechow . Следите за SPACE.com, чтобы быть в курсе последних новостей космической науки и исследований, в Твиттере @Spacedotcom и в Facebook .
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].
Дениз Чоу — бывший штатный писатель Space.com, которая затем работала помощником управляющего редактора в Live Science, а затем перешла на NBC News в качестве научного репортера, где она занимается общей наукой и изменением климата.