Около пятнадцати ученых из семи стран объединились в международную группу Compact, чтобы найти ответ на один из главных вопросов космологии : где заканчивается Вселенная и заканчивается ли вообще? В апреле 2024 года в журнале Physical Review Letters они представили новый метод поиска. Исследователи уверены: прежние попытки определить форму космического пространства не исчерпали всех возможностей. Теперь, когда в их распоряжении оказались мощные компьютеры, о которых 10 лет назад можно было только мечтать, у человечества наконец-то есть шанс продвинуться в решении этой загадки.
Впервые над этим вопросом задумался еще Аристотель в 350 году до нашей эры. Философ считал его “важнейшим в поиске истины”. Наблюдая за небесными телами, он заметил, что они движутся вокруг Земли по круговым орбитам. А поскольку тело, которое движется по кругу, не может быть бесконечным, значит, и Вселенная должна иметь границы.
Рассуждения античного философа могли показаться не слишком убедительными, но его вывод, возможно, был верным. Спустя более двух тысяч лет мы все еще не знаем наверняка, ограничена ли Вселенная в пространстве. Она может оказаться безграничной, уходящей в бесконечность во всех направлениях, а может быть замкнутой в компактную форму – например, напоминать сферу или тор, геометрическую фигуру в форме бублика.
“Размер и форма Вселенной – один из самых важных и фундаментальных вопросов, какие мы только можем задать”, – говорит Нил Корниш , астрофизик из Университета штата Монтана, не входящий в коллаборацию Compact. По его словам, сейчас у ученых накопилось достаточно данных, чтобы провести максимально полный анализ .
В 1998 году в статье “Круги в небе” Нил Корниш и Гленн Старкман предложили способ изучения космической топологии, который определил направление исследований на многие годы вперед.
Они предположили, что свет может достигать Земли разными путями, путешествуя почти все время существования Вселенной. Так же, как и самолет, который может долететь из Испании в Новую Зеландию двумя маршрутами: либо на восток через Азию, либо на запад через Америку.
Чтобы понять возможную форму космоса, физики используют модель трехмерного тора. В двух измерениях тор выглядит как бублик: свет движется либо по его внешней окружности, либо через дырку в центре, неизменно возвращаясь в исходную точку. Трехмерный вариант можно представить как куб с необычными свойствами: стоит выйти через одну его грань, как сразу попадаешь на противоположную сторону.
Первые следы такой необычной геометрии космоса ученые искали в реликтовом микроволновом излучении – древнейшем свете во Вселенной, который приходит к нам со всех сторон. Это излучение несет информацию о том, как выглядел космос всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва – именно тогда фотоны впервые смогли свободно путешествовать сквозь пространство.
Корниш с коллегами тщательно изучили данные космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), пытаясь найти в картине реликтового излучения одинаковые круги. Однако исследование 2004 года не выявило таких структур. Когда примерно десять лет спустя за дело взялась космическая обсерватория Planck, результат оказался тем же – признаков замкнутости Вселенной обнаружить не удалось.
То, что характерные круговые структуры не нашлись, может говорить о двух вещах. Либо Вселенная действительно бесконечна, либо она просто намного больше той области, которую мы можем наблюдать. Во втором случае сфера последнего рассеяния – поверхность, откуда до нас доходит реликтовое излучение – просто не достает до границ нашего мира.
Новый подход группы Compact опирается на идею математика Марка Каца, высказанную в 1966 году. Ясхар Акрами из Института теоретической физики в Мадриде, объясняет ее так: “Представьте, что вы закрыли глаза и слушаете звук барабана. Можете ли вы, анализируя частоты и амплитуды этого звука, понять форму инструмента?” Точно так же ученые надеются “услышать” форму Вселенной, изучая акустические волны, которые оставили след в реликтовом излучении.
Если внимательно изучить реликтовое излучение, можно заметить, что его температура слегка различается от точки к точке: одни участки чуть теплее среднего значения, другие – холоднее. Эти различия возникли из-за звуковых волн, которые распространялись в плазме молодой Вселенной. Сами волны появились из-за квантовых флуктуаций – крошечных колебаний в ткани пространства, которые усилились во время стремительного расширения в первые мгновения после Большого взрыва. Процесс напоминает рябь на поверхности пруда от брошенных камней разного размера.
Крейг Копи из команды Compact сравнивает свою работу с восстановлением музыкальной партитуры по старой, не очень качественной записи. Разные геометрии Вселенной могут усиливать одни частоты и подавлять другие – как флейта-пикколо и туба, хоть и относятся к духовым, звучат совершенно по-разному.
Одна из самых интересных загадок реликтового излучения связана с тем, как соотносятся температуры в разных его точках. Если измерить температуру в двух местах, разделенных углом меньше 60 градусов, часто оказывается: если в одной точке теплее среднего, то и в другой тоже. Но стоит увеличить угол – и эта закономерность пропадает. Ученые пока не могут объяснить, почему так происходит.
Разгадывать эту тайну исследователи начали с самых простых вариантов – семнадцати различных плоских пространств. Простейшее из них, которое обозначают как E1, представляет собой трехмерный тор. Девять таких пространств называют ориентируемыми: если наблюдатель движется в них по замкнутому пути, он возвращается в исходную точку в том же положении.
В прошлом году группа Compact опубликовала шаблоны для всех девяти ориентируемых плоских топологий. В начале этого года должны выйти данные по оставшимся восьми неориентируемым конфигурациям. В таких пространствах, подобно ленте Мёбиуса, нельзя определить, где верх, а где низ: пройдя полный круг, наблюдатель окажется в перевернутом положении.
Параллельно Акрами вместе со своим аспирантом исследует пространства с положительной кривизной, похожие на сферу. Команда не ограничивается изучением только реликтового излучения. Ученые планируют использовать и данные о том, как в пространстве распределены галактики. В отличие от реликтового излучения, которое дает нам как бы плоский снимок, звездные скопления заполняют объем пространства. Это значит, что они могут рассказать об устройстве космоса гораздо больше.
В ближайшие годы новые космические телескопы – Euclid, Roman и Spherex – составят подробные карты распределения галактик. Они помогут проверить, как разные геометрические конфигурации должны влиять на расположение космических объектов.
Гленн Старкман считает, что сейчас никто не может предсказать, увенчаются ли поиски успехом. Однако он уверен: если Вселенная действительно имеет необычную форму, это могло бы объяснить не только странную особенность реликтового излучения с его 60-градусным пределом корреляций, но и загадочные различия в структурах, которые наблюдаются выше и ниже плоскости орбиты Солнечной системы. Других убедительных объяснений этим аномалиям пока никто не предложил.