«Кривобокість» Всесвіту, можливо, свідчить про її відкритість
Температура реліктового випромінювання в різних «півкулях» Всесвіту різниться. Що суперечить основоположній тезі про ізотропності Всесвіту, тобто однаковості її фізичних властивостей у всіх напрямках.
З тих пір як ці дані в першій половині поточного року стали надбанням громадськості, виникла неабияка дискусія про причини нерівномірності температур в різних секторах неба.
Спочатку з'явилася гіпотеза про те, що розподіл матерії-енергії та відповідна йому картина реліктового випромінювання різняться в силу того, що ми живемо всередині Всесвіту, недостатньо великий, щоб виключити всі статистичні флуктуації розподілу такого випромінювання по небу. Мовляв, будь вона трохи більше, картина неба була б ізотропної.
Карта реліктового випромінювання по » Планку ». Інші бачать тут неоднорідності , інші вважають , що це тільки здається і, мовляв , статистичної значимості не вистачає. (Тут і нижче ілюстрації ESA, Planck Collaboration / Alan Stonebrake.)
Але тоді зовсім не ясно , чому світобудову неоднорідне на таких значних масштабах , в той час як ранні дослідження заявляли про його ізотропності на дистанціях понад сотень мегапарсек. По теорії просторові відмінності в реліктовому випромінюванні повинні відображати флуктуації щільності ранньому Всесвіті , з яких виросли всі ці галактики та інші космічні структури. Та ж теорія передбачає , що статистично Всесвіт у цілому повинна бути гомогенна , тобто загалом коливання повинні існувати лише на малих масштабах — близько галактик і їх скупчень , але ніяк не в межах усього Всесвіту .
Звичайно , результати вимірювань » Планка » (а так само і його попередника WMAP) все ще запекло обговорюються : окремі астрономи заявляють , що дані по температурних відмінностей півкуль неба мають значимість » в якісь 3σ ». Так, для обивателя все, що вище 99,5% ймовірності , розцінюється як достовірне, але фізики часто вимагають п'яти сигм , тобто значно вищого рівня точності , поки недоступного жодному земній космічному апарату. Так, побудувати новий , більш точний » Планк » реально , але, як іронізують прихильники достовірності даних останнього , навіщо ? П'ять років тому , обговорюючи менш досконалі результати WMAP, також зауважив неоднорідність в реліктовому випромінюванні (РІ) , тобто й у Всесвіті , скептики теж вимагали більш точного визначення відмінностей температури РІ , і хоча новий апарат це зробив , вони » все ще не переконані » . Що змусить їх змінити думку при черговому уточненні вихідних даних ?
Звичайно , це скоріше жарт: 5σ переконають всіх. У той же час деякі вчені вже заявили , що якщо б ми мали у своєму розпорядженні кількома панорамами неба з реліктовим випромінюванням , то неоднорідностей не було б. Але небо навколо Землі тільки одне, а тому … Загалом, ви зрозуміли.
І все ж давайте розглянемо ситуацію , виходячи з того , що флуктуації , помічені » Планком » , реальні. Є два способи пояснити їх. Перший — модифікувати модель інфляції , надшвидкого роздування Всесвіту в початковій фазі її розвитку. Сама інфляція , імовірно , була викликана квантовим скалярним полем , відомим як інфлатонное, квантом якого був інфлатонное .
Пертурбації і обурення в інфлатонное полі можуть мати своєю причиною як збурювання в первісному розподілі маси в ранньому Всесвіті , так і вплив іншого , викривляється скалярного поля , квантом якого був курватон. Взаємодія інфлатонное і курватона могло так спотворити Всесвіт, що вона стала » Кривобоков » , тобто з одного боку неба реліктове випромінювання в ній трохи яскравіше, ніж з іншого. Для цього флуктуації в розподілі матерії повинні бути пов'язані з хвильовими флуктуаціями курватона. Саме таке пояснення вже пропонувалося в 2008 році для обгрунтування даних космічного зонда WMAP, теж указував на анізотропію Всесвіту.
Щоб отримати спостережувані показники спотворення Всесвіту курватоном , параметри його флуктуації тоді були просто виведені з спостережуваних даних анізотропії реліктового випромінювання (інші скажуть :» Їх підігнали під анізотропію »). Цей підхід має очевидні прогалини : чому анізотропія і хвильові параметри курватона виявилися саме такими , а , наприклад, не такими собі ? Ось як описав методику отримання таких параметрів один з авторів курватона — 2008:» Просто витягнули флуктуації курватона з капелюха ». Так, як фокусник кролика.
Тепер Ендрю Ліддл (Andrew Liddle) і Марина Кортес (Marina Cortês) з Единбурзького університету (Шотландія , Великобританія) пропонують другий шлях. Вони хочуть обійтися без притягування параметрів за вуха. Тому тепер немає потреби » натягувати » курватон на дані спостережень. Викривлення Всесвіту може виникнути природним шляхом , стверджують вони , якщо Всесвіт є відкритою. Відкрита Всесвіт буде мати негативну кривизну , де паралельні лінії в кінцевому рахунку розходяться , як на сідловидної поверхні (див. ілюстрацію).
Припустимо , що ви равлик, стріляючий з пари бластерів. У загальноприйнятій моделі геометрії Всесвіту промені від них йдуть паралельно. Якщо Ліддл і Кортес праві (верхній варіант геометрії Всесвіту) , то з часом промені розходяться , а світобудова є відкритим , а не замкнутим , як вважається сьогодні.
Інша справа , що така відкрита Всесвіт вимагає , щоб її щільність була нижче критичної , при якій тяжіння матерії здатне подолати кінетичну енергію , з якою різні частини Всесвіту розлітаються в сторони.
Зараз у фізичному співтоваристві загальноприйнятим вважається припущення про те, що Всесвіт насправді є скоріше плоскою , ніж викривленою (геометрично) . Однак існуючі вимірювання залишають зазор для такого варіанту , в якому загальна щільність відрізняється від критичної лише на 1%. У такому випадку Всесвіт здається пласкою, але насправді, до чого і гнуть г -да Ліддл і Кортес , викривлена вона з характерним радіусом , що перевищує спостережуваний нами горизонт (тобто розміри Всесвіту) не більше ніж на порядок (або близько того).
Отже, в цій гіпотезі наявності радіус кривизни , що минає за обрій , і саме він встановлює довжину хвилі флуктуації курватона , що відповідає за спостережувану асиметрію реліктового випромінювання. Подібна частота курватона , згідно дослідникам , природним шляхом сама виникає в моделях «відкритої інфляції» , розроблених в 1990- х , до затвердження сучасного погляду на геометрію Всесвіту. У таких моделях Всесвіт виникає як міхур всередині більшої Метавсесвіт (або мультивселенной) . Сам міхур з'являється допомогою тунельного ефекту , коли вакуум Метавсесвіт перемикається з одного енергетичного стану в інший. Швидкість розширення міхура — світобудови наближається до світлової .
Здавалося б , нескінченний простір відкритої Всесвіту не може бути укладена всередині такого розширюється міхура в Метавсесвіт , обсяг якої , очевидно , обмежений. Однак це можливо , якщо взяти до уваги , що час всередині міхура нашого Всесвіту визначається по- іншому, ніж поза ним.
Якщо ми обмежимо себе 2D — простором , тоді внутрішній час нашого Всесвіту буде нескінченно зігнутої площиною , або гіперповерхні в просторі-часі більш великої Метавсесвіт. Відповідно до моделі відкритої інфляції , квантове тунелювання , що породило міхур Всесвіту , також викличе флуктуації в стінці міхура. А вони будуть флуктуаціями кривизни , які цілком укладаються в спостережувані відхилення від ізотропності реліктового випромінювання.
У моделі є недолік: вона , як і попередня гіпотеза 2008 року, не залежить від масштабів. Це означає , що обидві сторони неба повинні мати різні амплітуди щільності- флуктуацій , для ділянок неба менших ніж 3 °. Однак з астрономічних спостережень (на прикладі тих же квазарів) нічого такого не випливає.
У рамках такої гіпотези, з точки зору мешканця Метавсесвіт, наш Всесвіт утворився в момент T0. Потім, в наступні моменти, що визначаються як T1, T2 і т.д., Всесвіт розширюється. Місця розташування конкретних об'єктів в ній показані жовтими точками, а їх переміщення на видимому небі — жовтим пунктиром. У такому випадку анізотропія реліктового випромінювання може виникнути цілком природним шляхом, без підгонки параметрів.
В принципі, останню проблему можна обійти, у випадку якщо і інфлатонное, і курватон разом генерували початкові флуктуації ранньому Всесвіті, через які ми спостерігаємо сьогодні анізотропію реліктового випромінювання.
Нова модель Всесвіту — що тільки радує — підлягає перевірці спостереженнями: якщо Всесвіт дійсно злегка прочинені, то подальше вивчення даних «Планка» (або, у разі браку дозволу, його наступника) дозволить остаточно підтвердити або спростувати концепцію відкритої інфляції.
Звіт про дослідження опублікований в журналі Physical Review Letters.
Підготовлено: Александр Березин (Компьюлента) за матеріалами Physics.
© Ноосфера
