Что значит плоская вселенная. NASA доказало, что наша Вселенная старая, тёмная и плоская

Перед мировой наукой стоит ряд вопросов, точных ответов на которые она, видимо, никогда не получит. Возраст Вселенной — как раз из таких. До года, дня, месяца, минуты, его, видимо, никогда не удастся вычислить. Хотя...

В своё время казалось, что сужение предположительного возраста до 12-15 миллиардов лет — великое достижение.

И вот теперь NASA с гордостью объявляет: возраст Вселенной установлен с погрешностью «всего» 0,2 миллиарда лет. И равен этот возраст 13,7 миллиардам лет.

Кроме того, удалось выяснить, что первые звёзды стали образовываться гораздо раньше, чем предполагалось.

Как это было установлено?

Оказывается, с помощью одного единственного аппарата, фигурирующего под наименованием MAP — Microwave Anisotropy Probe (Зонд микроволновой анизотропии).

Недавно его переименовали в Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) в честь скончавшегося в 2002 году астрофизика Дэвида Уилкинсона (David Wilkinson), сотрудника Принстоновского университета (Princeton University)

Покойный профессор Дэвид Уилкинсон, чьим именем был назван зонд WMAP.

Этот зонд, находясь на расстоянии порядка 1,5 миллиона километров от Земли, в течение целого года фиксировал показатели космического микроволнового фона (КМФ) по всему небу.

Десять лет назад другой аналогичный аппарат Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) впервые произвёл сферическую съёмку КМФ.

COBE обнаружил микроскопические температурные колебания в микроволновом фоне, которые соответствуют изменениям в плотности вещества в молодой Вселенной.

MAP, оснащённый куда более сложной аппаратурой, в течение года вглядывался в глубины космоса, и получил изображение с разрешением в 35 раз лучшим, нежели его предшественник.

Космический микроволновый фон — реликтовое излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Это, условно говоря, фотоны, оставшиеся после выплеска светового излучения, произошедшего в результате взрыва, и остывавшие в течение миллиардов лет до микроволнового состояния. Иначе говоря — это самый древний во Вселенной свет.

«Мембрана» уже писала, что осенью 2002 года радиотелескоп Degree Angular Scale Interferometer, расположенный на Южном Полюсе, обнаружил, что космическое фоновое микроволновое излучение поляризовано .

Карта звёздного неба, отображающая температурные колебания космического микроволнового фона.

Поляризация в космосе было одним из ключевых предсказаний стандартной космологической теории. Согласно ей, юная Вселенная была наполнена фотонами, которые постоянно сталкивались с протонами и электронами.

В результате столкновений свет поляризовался, и этот отпечаток остался даже после того, как заряженные частицы сформировали первые нейтральные атомы водорода.

Ожидалось, что это открытие поможет объяснить, каким именно образом Вселенная расширилась в доли секунды и как образовывались первые звёзды, а также выяснить соотношение «обычного» и «тёмного» типов материи и тёмной энергии.

Количество тёмной материи и энергии во Вселенной играет ключевую роль в определении формы космоса — точнее сказать, его геометрии.

Учёные исходят из предположения, что, если значение плотности материи и энергии во Вселенной меньше критического, то космос — открыт и вогнут по образцу седла.

Если же значение плотности материи и энергии совпадает с критическим, то космос — плоский, как лист бумаги. Если же истинная плотность выше той, что в теории считается критической, то космос должен быть замкнутым и сферообразным. В этом случае свет будет всегда возвращаться к первоначальному источнику.

Диаграмма, отображающая соотношение форм материи во Вселенной.

Теория расширения — своего рода следствие теории Большого Взрыва — предсказывает, что плотность вещества и материи во Вселенной максимально приближена к критической, что означает — Вселенная плоская.

Показания зонда MAP это подтвердили.

Выяснилось и ещё одно крайне интересное обстоятельство: оказывается, первые звёзды начали появляться во Вселенной очень быстро — всего через 200 миллионов лет после самого Большого Взрыва.

В 2002 году учёные провели компьютерную симуляцию образования самых древних звёзд, в которых начисто отсутствовали металлы и другие «тяжёлые» элементы. Те образовывались вследствие взрывов старых звёзд, остаточное вещество которых падало на поверхность других светил и в процессе термоядерного синтеза образовывало более тяжёлые соединения.

До нашей Вселенной существовала другая, а та, в которой мы живем, - плоская. Эти два открытия 2010 года перевернули представления человека об эволюции космоса. Ученые доказали, что масса Вселенной на 70 процентов состоит из таинственной "темной энергии", которая ускоряет ее расширение. Если обе теории подтвердятся, это может стать новым шагом в познании мира.

Первое открытие было сделано одним из самых блестящих физиков нашего времени - Роджером Пенроузом из Оксфордского университета. Он задался вопросом: а что предшествовало Большому взрыву, в результате которого согласно доминирующей теории образовались время, материя и пространство?

В результате проведенных исследований Пенроуз обнаружил доказательства существования другой вселенной, предшествовавшей нашей. И вообще, по мнению ученого, развитие мироздания происходит циклически: вселенные рождаются, умирают и вновь рождаются из своего же пепла, проживая периоды, которые физик назвал "эонами". Его теория позволяет объяснить, почему изначально Вселенная была очень упорядоченной, что позволило сформироваться очень сложным объектам.

Второе исследование, опубликованное в Nature, провели Кристиан Маринони и Эдлин Буцци, французские физики из Университета Прованса. Оно возвращает нас к давно забытой теории Альберта Эйнштейна о том, что наша Вселенная плоская. В свое время Эйнштейн отказался от нее, посчитав ошибочной. Однако именно такая форма Вселенной позволила объяснить существование "темной энергии" - главной движущей силы Вселенной. Французские исследователи доказали, что масса Вселенной на 74 процента состоит из этой энергии, которая ускоряет ее расширение.

Сегодня доминирует теория о том, что Вселенная возникла 13,7 млд лет назад из одной точки большой

плотности, которая в результате Большого взрыва в первые мгновения существования представляла собой "горячий суп" из не связанных в атомы свободных частиц. Температура этого "супа" составляла тысячи миллионов градусов (эти условия были недавно с успехом воспроизведены в Большом адронном коллайдере - LHC). Зародившись, Вселенная стала быстро расширяться и охлаждаться, частицы начали формировать первые простейшие атомы (водорода), а силы гравитации на протяжении долгого времени работали на то, чтобы объединить атомы в материю звезд и галактик.
Один из наиболее актуальных вопросов - вопрос о том, почему после Большого взрыва темп расширения Вселенной не только не замедлился, но увеличивается? В результате ученые пришли к выводу, что это в большой степени зависит от массы содержащегося в ней вещества. Если общая масса вещества Вселенной достаточна для того, чтобы сила гравитации (которая тем больше, чем больше масса) преодолела первичную центробежную силу Большого взрыва, тогда расширение Вселенной будет остановлено и даже может привести к ее свертыванию - коллапсу, который ученые называют Большим хрустом. Однако, если общая масса недостаточна, ничто не сможет остановить расширение Вселенной, она будет стремиться стать большой черной пустотой, где в конце концов погаснет последняя звезда.

Осталось измерить массу Вселенной, однако наука встретилась здесь со многими сюрпризами. Первый состоит в том, что обычное вещество, из которого состоят галактики, звезды и планеты и которое существует как свет и другое измеряемое излучение, составляет всего 5 процентов от всей массы Вселенной, что абсолютно недостаточно, чтобы затормозить ее разбег. Другие 25 процентов соответствуют другому "типу материи", который не может напрямую быть обнаружен нашими приборами, поскольку ничего излучает. Эта материя известна под именем "темная". Мы знаем, где она находится (так называемые "черные дыры"), потому что можем измерить изменения гравитации, но никто никогда не смог "увидеть" ее. Можно лишь строить предположения насчет того, из каких частиц она может состоять.

Действительно, а какими свойствами должны обладать эти частицы? Совершенно очевидно, они не должны распадаться на другие, более легкие, иначе им давно пришлось бы распасться за все время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон - это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны).

Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Собственно говоря, на этом знания ученых об этих интересных частицах заканчиваются и начинается непаханое поле догадок и предположений.

Итак, с темной материей, составляющей те самые 25 процентов, хоть что-то понятно. Но что же представляют собой остальные 70 процентов? Ученые не в состоянии пока дать определенного ответа на этот вопрос и используют термин "темная энергия". Однако про нее известно еще меньше, чем про темную материю.

Самое необычное во всем этом то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Именно благодаря этому расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством - отрицательным давлением. Это резко отличает ее от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии - главная загадка фундаментальной физики XXI века. Хотя один кандидат на эту роль уже имеется - обычный, известный всем вакуум. Правда, его природа также до сих пор остается весьма загадочной.

Именно эта сила предположительно определяет увеличение скорости разбега Вселенной. Именно эту темную энергию исследовали Пенроуз и ученые из Франции. Пенроуз проанализировал данные, полученные со спутника WMAP (который измерял микроволновое излучение, пронизывающее всю Вселенную и являющееся следом Большого взрыва). Он обнаружил структуры распределения в виде концентрических кругов, которые можно объяснить как следы существования других вселенных (наложение старого излучения на новое). Это означает, что наша Вселенная одна в череде многих и придет время, когда она умрет и возродится в результате нового Большого взрыва. Перед "смертью" Вселенная станет "гладкой и линейной".

Этот вывод подтверждают Буцци и Маринони, которые доказали, измеряя искажения света, идущего от 500 пар галактик, что мы живем в плоской вселенной, а не изогнутой или сферической, как многие думали. Отталкиваясь от постулата, что геометрические измерения можно использовать для определения состава Вселенной, ученые изучили распределение взаимной ориентации пар галактик, обращающихся друг вокруг друга. Во Вселенной без темной энергии это распределение было бы сферически симметричным, то есть количество пар, ориентированных в любом из направлений, было бы одинаковым.

Наблюдения показали, что на самом деле чем дальше от Земли находятся пары галактик, тем более асимметричным было распределение их ориентации, - больше пар было расположено вдоль луча обзора от Земли. Кроме того, если бы Вселенная была сферической или изогнутой, то мы видели бы изображение галактик деформированным, как если бы смотрелись в металлический мяч и видели там свое искаженное лицо. В плоском пространстве искажений нет, что и было отмечено.

Что такое темная материя или скрытая масса? А темная энергия?

Скры́тая ма́сса (в космологии и астрофизике также тёмная материя, тёмное вещество) - общее название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающих электромагнитного или нейтринного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемых косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на видимые объекты.
Общая проблема скрытой массы состоит из двух проблем:

* астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой массы гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;
* космологической - противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной.

Природа и состав скрытой массы

Кроме прямых наблюдений гравитационных эффектов скрытой массы существует ряд объектов, прямое наблюдение которых затруднено, но которые могут вносить вклад в состав скрытой массы. В настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы: если к первым относятся достаточно хорошо известные астрономические объекты, то в качестве кандидатов во вторые рассматриваются нейтрино, страпельки и гипотетические элементарные частицы, следующие из классической квантовой хромодинамики (аксионы) и суперсимметричных расширений квантовых теорий поля.
Для объяснения отклонения скоростей вращений галактических объектов от кеплеровских следует предположить наличие массивного тёмного гало галактик. К массивным объектам гало галактик относятся слабоизлучающие компактные объекты, в первую очередь маломассивные звёзды - коричневые карлики, субзвёзды или очень массивные юпитероподобные планеты, масса которых недостаточна для инициирования термоядерных реакций в их недрах, остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

Что же это?

Что же мы знаем сегодня о темной материи, составляющей 95% массы Вселенной? Почти ничего. Но что-то всё же знаем. Прежде всего, нет никаких сомнений в том, что темная материя существует - об этом неопровержимо свидетельствуют факты, приведенные выше. А еще нам доподлинно известно, что темная материя существует в нескольких формах. После того как к началу XXI века в результате многолетних наблюдений в экспериментах SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) было установлено, что у нейтрино масса есть, стало ясно, что от 0,3% до 3% из 95% скрытой массы заключается в давно знакомых нам нейтрино - пусть масса их чрезвычайно мала, но количество во Вселенной примерно в миллиард раз превышает количество нуклонов: в каждом кубическом сантиметре содержится в среднем 300 нейтрино. Оставшиеся 92–95% состоят из двух частей - темной материи и темной энергии. Незначительную долю темной материи составляет обычное барионное вещество, построенное из нуклонов, за остаток отвечают, по-видимому, какие-то неизвестные массивные слабовзаимодействующие частицы (так называемая холодная темная материя).

Барионная темная материя

Небольшая (4–5%) часть темной материи - это обычное вещество, которое не испускает или почти не испускает собственного излучения и поэтому невидимо. Существование нескольких классов таких объектов можно считать экспериментально подтвержденным. Сложнейшие эксперименты, основанные всё на том же гравитационном линзировании, привели к открытию так называемых массивных компактных галообъектов, то есть расположенных на периферии галактических дисков. Для этого потребовалось следить за миллионами удаленных галактик в течение нескольких лет. Когда темное массивное тело проходит между наблюдателем и далекой галактикой, ее яркость на короткое время уменьшается (или увеличивается, поскольку темное тело выступает в роли гравитационной линзы). В результате кропотливых поисков такие события были выявлены. Природа массивных компактных галообъектов ясна не до конца. Скорее всего, это либо остывшие звезды (коричневые карлики), либо планетоподобные объекты, не связанные со звездами и путешествующие по галактике сами по себе. Еще один представитель барионной темной материи - недавно обнаруженный в галактических скоплениях методами рентгеновской астрономии горячий газ, который не светится в видимом диапазоне.

Небарионная темная материя

В качестве главных кандидатов на небарионную темную материю выступают так называемые WIMP (сокращение от английского Weakly Interactive Massive Particles - слабовзаимодействующие массивные частицы). Особенность WIMP состоит в том, что они почти никак не проявляют себя во взаимодействии с обычным веществом. Именно поэтому они и есть самая настоящая невидимая темная материя, и именно поэтому их чрезвычайно сложно обнаружить. Масса WIMP должна быть как минимум в десятки раз больше массы протона. Поиски WIMP ведутся во многих экспериментах в течение последних 20–30 лет, но, несмотря на все усилия, они до сих пор обнаружены не были

Одна из идей состоит в том, что если такие частицы существуют, то Земля в своем движении вместе с Солнцем по орбите вокруг центра Галактики должна лететь сквозь дождь, состоящий из WIMP. Несмотря на то что WIMP представляет собой чрезвычайно слабо взаимодействующую частицу, какая-то очень малая вероятность провзаимодействовать с обычным атомом у нее всё же есть. При этом в специальных установках - очень сложных и дорогостоящих - может быть зарегистрирован сигнал. Количество таких сигналов должно меняться в течение года, поскольку, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля меняет свою скорость и направление движения относительно ветра, состоящего из WIMP. Экспериментальная группа DAMA, работающая в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, сообщает о наблюдаемых годичных вариациях скорости счета сигналов. Однако другие группы пока не подтверждают этих результатов, и вопрос, по существу, остается открытым.

Другой метод поиска WIMP основан на предположении о том, что в течение миллиардов лет своего существования различные астрономические объекты (Земля, Солнце, центр нашей Галактики) должны захватывать WIMP, которые накапливаются в центре этих объектов, и, аннигилируя друг с другом, рождать поток нейтрино. Попытки детектирования избыточного нейтринного потока из центра Земли в направлении к Солнцу и к центру Галактики были предприняты на подземных и подводных нейтринных детекторах MACRO, LVD (лаборатория Гран-Сассо), NT-200 (озеро Байкал, Россия), SuperKamiokande, AMANDA (станция Скотт-Амундсен, Южный полюс), но пока не привели к положительному результату.

Эксперименты по поиску WIMP активно проводят также на ускорителях элементарных частиц. В соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна Е=mс2, энергия эквивалентна массе. Следовательно, ускорив частицу (например, протон) до очень высокой энергии и столкнув ее с другой частицей, можно ожидать рождения пар других частиц и античастиц (в том числе WIMP), суммарная масса которых равна суммарной энергии сталкивающихся частиц. Но и ускорительные эксперименты пока не привели к положительному результату.

Темная энергия

О темной энергии можно сказать еще меньше, чем о темной материи. Во-первых, она равномерно распределена по Вселенной, в отличие от обычного вещества и других форм темной материи. В галактиках и скоплениях галактик ее столько же, сколько вне их. Во-вторых, она обладает несколькими весьма странными свойствами, понять которые можно, лишь анализируя уравнения теории относительности и интерпретируя их решения. Например, темная энергия испытывает антигравитацию: за счет ее присутствия темп расширения Вселенной растет. Темная энергия как бы расталкивает саму себя, ускоряя при этом и разбегание обычной материи, собранной в галактиках. А еще темная энергия обладает отрицательным давлением, благодаря которому в веществе возникает сила, препятствующая его растяжению.

Главный кандидат на роль темной энергии - вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, что и соответствует отрицательному давлению. Еще один кандидат - гипотетическое сверхслабое поле, получившее название квинтэссенция. Надежды на прояснение природы темной энергии связывают прежде всего с новыми астрономическими наблюдениями. Продвижение в этом направлении, несомненно, принесет человечеству радикально новые знания, поскольку в любом случае темная энергия должна представлять собой совершенно необычную субстанцию, абсолютно непохожую на то, с чем имела дело физика до сих пор.

Итак, наш мир на 95% состоит из чего-то, о чем мы почти ничего не знаем. Можно по-разному относиться к такому не подлежащему никакому сомнению факту. Он может вызывать тревогу, которая всегда сопутствует встрече с чем-то неизвестным. Или огорчение, оттого что такой долгий и сложный путь построения физической теории, описывающей свойства нашего мира, привел к констатации: большая часть Вселенной скрыта от нас и неизвестна нам.

Некогда планета считалась плоской, и это казалось совершенно очевидным фактом. Сегодня так же мы смотрим на «форму» Вселенной в целом

Зонд WMAP смотрит в космическую даль

В случае со Вселенной «плоскость» подразумевает тот, казалось бы, очевидный факт, что свет и излучение распространяются в ней по строго прямолинейно. Конечно, присутствие материи и энергии вносит свои коррективы, создавая искажения в пространственно-временном континууме. Но все-таки, в плоской Вселенной строго параллельные пучки света никогда не пересекаются, в полном соответствии с планиметрической аксиомой.

Если же Вселенная изогнута по положительной кривой (как огромная сфера), параллельные линии в ней должны в конце концов сойтись вместе. В противоположном случае — если Вселенная напоминает гигантское «седло» — параллельные линии будут постепенно расходиться.

Вопрос о плоскости Вселенной изучала, в частности, космическая проба WMAP , о главных достижениях которой мы писали в статье «Миссия: выполняется ». Собрав с ее помощью данные о распределении материи и темной энергии в молодой Вселенной, ученые проанализировали их и пришли почти к единодушному заключению о том, что она все-таки плоская. Заметим — почти единодушному. К примеру, этот взгляд на вещи поставлен недавно под сомнение группой оксфордских физиков во главе с Джозефом Силком (Joseph Silk), которые показали, что результаты WMAP вполне могли быть интерпретированы неверно.

В стародавние времена люди думали» что 3емля плоская и стоит на трех китах, затем выяснилось, что наша ойкумена круглая и, если плыть все время на запад, то через некоторое время вернешься в исходную точку с востока. Похожим образом изменялись и воззрения на Вселенную. В свое время Ньютон полагал, что пространство плоское и бесконечное. Эйнштейн разрешил нашему Миру быть не только безграничным и кривым, но и замкнутым. Новейшие данные, полученные в процессе исследования реликтового излучения, свидетельствуют о том, что Вселенная вполне может быть замкнута сама на себя. Получается, что если все время лететь от 3емли, то в какой-то момент начнешь к ней приближаться и в конце концов вернешься назад, обойдя всю Вселенную и совершив кругосветное путешествие, подобно тому, как один из кораблей Магеллана, обогнув весь земной шар, приплыл в испанский порт Санлукар-де-Баррамеда.

Гипотеза о том, что наша Вселенная родилась в результате Большого взрыва, сейчас считается общепринятой. Материя вначале была очень горячей, плотной и быстро расширялась. Затем температура Вселенной понизилась до нескольких тысяч градусов. Вещество в этот момент состояло из электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия), то есть представляло собой сильно ионизированный газ — плазму, непрозрачную для света и любых электромагнитных волн. Начавшаяся в это время рекомбинация (соединение) ядер и электронов, то есть образование нейтральных атомов водорода и гелия, кардинально изменила оптические свойства Вселенной. Она стала прозрачной для большинства электромагнитных волн.

Таким образом, изучая свет и радиоволны, можно увидеть только то, что произошло после рекомбинации, а все то, что случилось раньше, закрыто он нас своеобразной «огненной стеной» ионизованного вещества. Заглянуть гораздо глубже в историю Вселенной можно только в том случае, если мы научимся регистрировать реликтовые нейтрино, для которых горячее вещество стало прозрачным гораздо раньше, и первичные гравитационные волны, для которых материя любой плотности — не преграда, однако это дело будущего, причем далеко не самого близкого.

С момента образования нейтральных атомов наша Вселенная расширилась примерно в 1 000 раз, и излучение эпохи рекомбинации сегодня наблюдается на Земле как реликтовый микроволновый фон с температурой около трех градусов Кельвина. Этот фон, впервые обнаруженный в 1965 году при испытаниях большой радиоантенны, практически одинаков во всех направлениях. По современным данным, реликтовых фотонов в сто миллионов раз больше, чем атомов, поэтому наш мир просто купается в потоках сильно покрасневшего света, излученного еще в самые первые минуты жизни Вселенной.

Классическая топология пространства

На масштабах больших, чем 100 мегапарсек, видимая нами часть Вселенной достаточно однородна. Все плотные сгустки материи — галактики, их скопления и сверхскопления — наблюдаются только на меньших расстояниях. Более того, Вселенная к тому же изотропна, то есть ее свойства одинаковы вдоль любого направления. Эти экспериментальные факты лежат в основе всех классических космологических моделей, в которых предполагаются сферическая симметрия и пространственная однородность распределения вещества.

Классические космологические решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), которые были найдены в 1922 году Александром Фридманом, имеют простейшую топологию. Их пространственные сечения напоминают плоскости (для бесконечных решений) или сферы (для ограниченных решений). Но у подобных вселенных, оказывается, существует альтернатива: не имеющая краев и границ, замкнутая сама на себя вселенная конечного объема.

Первые решения, найденные Фридманом, описывали вселенные, заполненные только одним сортом вещества. Различные картины возникали из-за разницы в средней плотности материи: если она превышала критический уровень, получалась замкнутая вселенная с положительной пространственной кривизной, конечными размерами и временем жизни. Ее расширение постепенно замедлялось, останавливалось и сменялось сжатием в точку. Вселенная с плотностью ниже критической имела отрицательную кривизну и бесконечно расширялась, скорость ее раздувания стремилась к некоторой постоянной величине. Эта модель называется открытой. Плоская Вселенная — промежуточный случай с плотностью, точно равной критической, — бесконечна и ее мгновенные пространственные сечения являются плоским евклидовым пространством с нулевой кривизной. Плоская, так же как и открытая, расширяется бесконечно долго, но скорость ее расширения при этом стремится к нулю. Позднее были придуманы более сложные модели, в которых однородная и изотропная вселенная была заполнена многокомпонентным веществом, видоизменяющимся со временем.

Современные наблюдения показывают, что сейчас Вселенная расширяется с ускорением (см. «За горизонтом вселенских событий», № 3, 2006). Такое поведение возможно, если пространство заполнено неким веществом (называемым часто темной энергией) с высоким отрицательным давлением, близким к плотности энергии этого вещества. Это свойство темной энергии приводит к возникновению как бы антигравитации, которая преодолевает на больших масштабах силы притяжения обычной материи. Первая подобная модель (с так называемым лямбдачленом) была предложена еще самим Альбертом Эйнштейном.

Особый режим расширения Вселенной возникает, если давление этой материи не остается постоянным, а возрастает со временем. В этом случае увеличение размеров нарастает настолько быстро, что Вселенная становится бесконечной за конечное время. Такое резкое раздувание пространственных размеров, сопровождаемое разрушением всех материальных объектов, от галактик до элементарных частиц, получило название Большого разрыва (Big Rip).

Все эти модели не предполагают каких-либо особых топологических свойств у Вселенной и представляют ее похожей на наше привычное пространство. Такая картина хорошо согласуется с теми данными, которые астрономы получают с помощью телескопов, регистрирующих инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. И только данные радионаблюдений, а именно детальное изучение реликтового фона, заставили ученых усомниться в том, что наш мир устроен столь прямолинейно.

Заглянуть за «огненную стену», отделяющую нас от событий первых тысяч лет жизни нашей Вселенной, ученым удастся не скоро. Зато с помощью выводимых в космос лабораторий мы с каждым годом все больше узнаем о том, что происходило после превращения горячей плазмы в теплый газ

Орбитальный радиоприемник

Первые результаты, полученные космической обсерваторией WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), измерявшей мощность реликтового излучения, были опубликованы в январе 2003 года и содержали так много долгожданной информации, что ее осознание не завершено и сегодня. Обычно для объяснения новых космологических данных используют физику: уравнения состояния вещества, законы расширения и спектры начальных возмущений. Но в этот раз характер обнаруженной угловой неоднородности излучения потребовал совсем другого объяснения — геометрического. Более же точно — топологического.

Основной целью WMAP было построение подробной карты температуры реликтового излучения (или, как его еще называют, микроволнового фона). WMAP — это сверхчувствительный радиоприемник, одновременно регистрирующий сигналы, приходящие из двух почти диаметрально противоположных точек неба. Обсерватория была запущена в июне 2001 года на особо спокойную и «тихую» орбиту, находящуюся в так называемой лагранжевой точке L2 в полутора миллионах километров от Земли. Этот спутник весом 840 кг на самом деле находится на околосолнечной орбите, однако благодаря совместному действию гравитационных полей Земли и Солнца период его обращения в точности равен одному году, и он никуда не улетает от Земли. На такую далекую орбиту спутник был запущен для того, чтобы помехи от земной техногенной активности не мешали приему реликтового радиоизлучения.

На основе полученных космической радиообсерваторией данных удалось с беспрецедентной точностью определить огромное количество космологических параметров. Во-первых, отношение полной плотности Вселенной к критической — 1,02±0,02 (то есть наша Вселенная плоская или замкнутая с очень малой кривизной). Во-вторых, постоянную Хаббла, характеризующую расширение нашего Мира на больших масштабах, — 72±2 км/с/Мпк. В-третьих, возраст Вселенной — 13,4±0,3 млрд. лет и красное смещение, соответствующее времени рекомбинации, — 1088±2 (это среднее значение, толщина границы рекомбинации существенно больше указанной ошибки). Наиболее сенсационным для теоретиков результатом стал угловой спектр возмущений реликтового излучения, точнее, слишком маленькая величина второй и третьей гармоники.

Такой спектр строится путем представления температурной карты в виде суммы различных сферических гармоник (мультиполей). При этом из общей картины возмущений выделяются переменные составляющие, укладывающиеся на сфере целое число раз: квадруполь — 2 раза, октуполь — 3 раза, и так далее. Чем выше номер сферической гармоники, тем более высокочастотные колебания фона она описывает и тем меньше угловой размер соответствующих «пятен». Теоретически число сферических гармоник бесконечно, но для реальной карты наблюдений оно ограничивается тем угловым разрешением, с которым проводились наблюдения.

Для корректного измерения всех сферических гармоник необходима карта всей небесной сферы, и WMAP получает ее верифицированный вариант как раз за год. Первые такие не очень подробные карты были получены в 1992 году в экспериментах «Реликт» и COBE (Cosmic Background Explorer).

Чем бублик похож на кофейную чашку
Есть такой раздел математики — топология, которая исследует свойства тел, сохраняющиеся при любых их деформациях без разрывов и склеек. Представьте себе, что интересующее нас геометрическое тело гибкое и легко деформируется. В этом случае, например, куб или пирамиду можно легко преобразовать в сферу или бутылку, тор («бублик») — в кофейную чашку с ручкой, а вот превратить сферу в чашку с ручкой не удастся, если не разрывать и не склеивать данное легко деформируемое тело. Для того чтобы разделить сферу на два несвязанных кусочка, достаточно провести один замкнутый разрез, а сделать то же самое с тором можно, лишь произведя два разреза. Топологи просто обожают всякого рода экзотические конструкции типа плоского тора, рогатой сферы или бутылки Клейна, которые можно корректно изобразить только в пространстве с вдвое большим числом измерений. Так и нашу трехмерную Вселенную, замкнутую саму на себя, можно себе легко представить, только живя в шестимерном пространстве. На время космические топологи пока не покушаются, оставляя ему возможность просто линейно течь, ни на что не замыкаясь. Так что умения работать в пространстве семи измерений сегодня вполне достаточно для понимания того, как сложно устроена наша додекаэдрическая Вселенная.

Итоговая карта температуры реликтового излучения строится на основе кропотливого анализа карт, отображающих интенсивность радиоизлучения в пяти различных частотных диапазонах

Неожиданное решение

Для большинства сферических гармоник полученные экспериментальные данные совпали с модельными расчетами. Только две гармоники, квадруполь и октуполь, оказались явно ниже ожидаемого теоретиками уровня. Причем вероятность того, что столь большие отклонения могли возникнуть случайно, крайне мала. Подавление квадруполя и октуполя было отмечено еще в данных COBE. Однако карты, полученные в те годы, имели плохое разрешение и большие шумы, поэтому обсуждение этого вопроса было отложено до лучших времен. По какой причине амплитуды двух самых крупномасштабных флуктуаций интенсивности реликтового излучения оказались столь маленькими, вначале было совершенно непонятно. Придумать физический механизм для их подавления пока не удалось, поскольку он должен действовать на масштабе всей наблюдаемой нами Вселенной, делая ее более однородной, и при этом переставать работать на меньших масштабах, позволяя ей флуктуировать сильнее. Наверное, поэтому начали искать альтернативные пути и нашли топологический ответ на возникший вопрос. Математическое решение физической проблемы оказалось удивительно изящным и неожиданным: достаточно было предположить, что Вселенная — замкнутый сам на себя додекаэдр. Тогда подавление низкочастотных гармоник можно объяснить пространственной высокочастотной модуляцией фонового излучения. Этот эффект возникает за счет многократного наблюдения одной и той же области рекомбинирующей плазмы через разные участки замкнутого додекаэдрического пространства. Получается, что низкие гармоники как бы гасят сами себя за счет прохождения радиосигнала через разные грани Вселенной. В такой топологической модели мира события, происходящие вблизи одной из граней додекаэдра, оказываются рядом и с противоположной гранью, поскольку эти области тождественны и на самом деле являются одной и той же частью Вселенной. Из-за этого реликтовый свет, приходящий на Землю с диаметрально противоположных сторон оказывается излученным одной и той же областью первичной плазмы. Это обстоятельство приводит к подавлению низших гармоник спектра реликтового излучения даже во Вселенной лишь немногим большей по размеру горизонта видимых событий.

Карта анизотропии
Упоминающийся в тексте статьи квадруполь не является самой низкой сферической гармоникой. Кроме него существуют монополь (нулевая гармоника) и диполь (первая гармоника). Величина монополя определяется средней температурой реликтового излучения, которая сегодня равняется 2,728 K. После его вычитания из общего фона самой большой оказывается дипольная компонента, показывающая, насколько температура в одной из полусфер окружающего нас пространства выше, чем в другой. Наличие этой компоненты вызвано в основном движением Земли и Млечного Пути относительно реликтового фона. Из-за эффекта Доплера температура в направлении движения повышается, а в противоположном — понижается. Данное обстоятельство позволит определить скорость любого объекта по отношению к реликтовому излучению и таким образом ввести долгожданную абсолютную систему координат, локально покоящуюся по отношению ко всей Вселенной.

Величина дипольной анизотропии, связанная с движением Земли, составляет 3,353*10-3 K. Это соответствует движению Солнца относительно фона реликтового излучения со скоростью около 400 км/с. «Летим» мы при этом в направлении границы созвездий Льва и Чаши, а «улетаем» из созвездия Водолея. Наша Галактика вместе с локальной группой галактик, куда она входит, движется относительно реликта со скоростью около 600 км/с.

Все остальные возмущения (начиная с квадруполя и выше) на карте фона вызваны неоднородностями плотности, температуры и скорости вещества на границе рекомбинации, а также радиоизлучением нашей Галактики. После вычитания дипольной компоненты суммарная амплитуда всех остальных отклонений оказывается всего 18*10-6 K. Для исключения собственного излучения Млечного Пути (в основном сосредоточенного в плоскости галактического экватора) наблюдения микроволнового фона ведутся в пяти частотных полосах в диапазоне от 22,8 ГГц до 93,5 ГГц.

Комбинации с тором

Простейшим телом с более сложной, чем сфера или плоскость, топологией является тор. Представить его может каждый, кто держал в руках бублик. Другую более корректную математическую модель плоского тора демонстрируют экраны некоторых компьютерных игр: это квадрат или прямоугольник, противоположные стороны которого отождествлены, и если движущийся предмет уходит вниз, то появляется сверху; пересекая левую границу экрана, он появляется из-за правой, и наоборот. Такой тор является простейшим примером мира с нетривиальной топологией, который имеет конечный объем и при этом не имеет каких-либо границ.

В трехмерном пространстве аналогичную процедуру можно проделать с кубом. Если отождествить его противоположные грани, то образуется трехмерный тор. Если посмотреть изнутри такого куба на окружающее пространство, то можно увидеть бесконечный мир, состоящий из копий его одной-единственной и уникальной (не повторяющейся) части, объем которой вполне конечен. В таком мире нет каких-либо границ, но есть три выделенных направления, параллельных ребрам исходного куба, вдоль которых наблюдаются периодические ряды исходных предметов. Эта картина очень похожа на то, что можно увидеть внутри кубика с зеркальными стенками. Правда, взглянув на любую из его граней, обитатель такого мира увидит свой затылок, а не лицо, как в земной комнате смеха. Более правильной моделью будет комната, оборудованная 6 телекамерами и 6 плоскими ЖК-мониторами, на которые выводится изображение, снимаемое расположенной напротив кинокамерой. В этой модели видимый мир замыкается сам на себя благодаря выходу в иное телевизионное измерение.

Описанная выше картина подавления низкочастотных гармоник верна, если время, за которое свет пересекает исходный объем, достаточно мало, то есть если размеры начального тела малы по сравнению с космологическими масштабами. Если же размеры доступной для наблюдений части Вселенной (так называемого горизонта Вселенной) оказываются меньше размеров исходного топологического объема, то ситуация не будет ничем отличаться от той, что мы увидим в обычной бесконечной эйнштейновской Вселенной, и никаких аномалий в спектре реликтового излучения наблюдаться не будет.

Максимально возможный пространственный масштаб в таком кубическом мире определяется размерами исходного тела — расстояние между любыми двумя телами не может превышать половины главной диагонали исходного куба. Свет, идущий к нам от границы рекомбинации, может по дороге несколько раз пересечь исходный куб, как бы отражаясь в его зеркальных стенках, из-за этого угловая структура излучения искажается и низкочастотные флуктуации становятся высокочастотными. В результате чем меньше исходный объем, тем сильнее подавление низших крупномасштабных угловых флуктуаций, а значит, изучая реликтовый фон, можно оценить размеры нашей Вселенной.

Трехмерные мозаики

Плоскую топологически сложную трехмерную Вселенную можно построить только на основе кубов, параллелепипедов и шестигранных призм. В случае искривленного пространства такими свойствами обладает более широкий класс фигур. При этом наиболее хорошо полученные в эксперименте WMAP угловые спектры согласуются с моделью Вселенной, имеющей форму додекаэдра. Этот правильный многогранник, имеющий 12 пятиугольных граней, напоминает футбольный мячик, сшитый из пятиугольных лоскутков. Оказывается, что в пространстве с небольшой положительной кривизной правильными додекаэдрами можно без дыр и взаимных пересечений заполнить все пространство. При определенном соотношении между размером додекаэдра и кривизной для этого надо 120 сферических додекаэдров. Более того, эту сложную структуру из сотни «мячиков» можно свести к топологически эквивалентной, состоящей всего из одного-единственного додекаэдра, у которого отождествлены повернутые на 180 градусов противоположные грани.

Вселенная, образованная из такого додекаэдра, обладает рядом интересных свойств: в ней нет выделенных направлений, и она лучше большинства других моделей описывает величину низших угловых гармоник реликтового фона. Такая картина возникает только в замкнутом мире с отношением действительной плотности вещества к критической 1,013, что попадает в интервал значений, допустимых сегодняшними наблюдениями (1,02±0,02).

Для рядового жителя Земли все эти топологические хитросплетения на первый взгляд не имеют особого значения. А вот для физиков и философов — совсем другое дело. Как для мировоззрения в целом, так и для единой теории, объясняющей строение нашего мира, эта гипотеза представляет большой интерес. Поэтому, обнаружив аномалии в спектре реликта, ученые стали искать другие факты, способные подтвердить или опровергнуть предложенную топологическую теорию.

Звучащая плазма
На спектре флуктуаций реликтового фона красной линией обозначены предсказания теоретической модели. Серый коридор вокруг нее — допустимые отклонения, а черные точки — результаты наблюдений. Большая часть данных получена в эксперименте WMAP, и только для самых высоких гармоник добавлены результаты исследований CBI (баллонные) и ACBAR (наземные антарктические). На нормированном графике углового спектра флуктуаций реликтового излучения видно несколько максимумов. Это так называемые «акустические пики», или «Сахаровские осцилляции». Их существование было теоретически предсказано Андреем Сахаровым. Эти пики обусловлены эффектом Доплера и вызваны движением плазмы в момент рекомбинации. Максимальная амплитуда колебаний приходится на размер причинно-связанной области (звукового горизонта) в момент рекомбинации. На меньших масштабах плазменные колебания были ослаблены фотонной вязкостью, а на больших — возмущения не зависели друг от друга и не были сфазированы. Поэтому максимум флуктуаций, наблюдаемых в современную эпоху, приходится на углы, под которыми сегодня виден звуковой горизонт, то есть область первичной плазмы, жившая единой жизнью в момент рекомбинации. Точное положение максимума зависит от отношения полной плотности Вселенной к критической. Наблюдения показывают, что первый, самый высокий пик расположен примерно на 200-й гармонике, что по теории с высокой точностью соответствует плоской Евклидовой Вселенной.

Очень много информации о космологических параметрах содержится во втором и последующих акустических пиках. Само их существование отражает факт «сфазированности» акустических колебаний в плазме в эпоху рекомбинации. Если бы такой связи не было, то наблюдался бы только первый пик, а флуктуации на всех меньших масштабах были бы равновероятными. Но для того чтобы подобная причинная связь колебаний в разных масштабах могла возникнуть, эти (очень сильно удаленные друг от друга) области должны были иметь возможность взаимодействовать друг с другом. Именно такая ситуация естественным образом возникает в модели инфляционной Вселенной, а уверенное обнаружение второго и следующих пиков в угловом спектре флуктуаций реликтового излучения является одним из наиболее весомых подтверждений этого сценария.

Наблюдения реликтового излучения велись в области, близкой к максимуму теплового спектра. Для температуры 3K он находится на длине волны радиоизлучения 1мм. WMAP вел свои наблюдения на чуть более длинных волнах: от 3 мм до 1,5 см. Этот диапазон достаточно близок к максимуму, и в нем ниже шумы от звезд нашей Галактики.

Многогранный мир

В додекаэдральной модели горизонт событий и лежащая очень близко к нему граница рекомбинации пересекают каждую из 12 граней додекаэдра. Пересечение границы рекомбинации и исходного многогранника образуют на карте микроволнового фона 6 пар кругов, расположенных в противоположных точках небесной сферы. Угловой диаметр этих кругов — 70 градусов. Эти круги лежат на противоположных гранях исходного додекаэдра, то есть они геометрически и физически совпадают. Вследствие этого распределение флуктуаций реликтового излучения вдоль каждой пары кругов должно совпадать (с учетом поворота на 180 градусов). На основе имеющихся данных такие круги пока что не были обнаружены.

Но это явление, как оказалось, имеет более сложный характер. Круги будут одинаковыми и симметричными только для наблюдателя, неподвижного относительно реликтового фона. Земля же движется относительно него с достаточно высокой скоростью, из-за чего в фоновом излучении появляется существенная дипольная компонента. В этом случае круги превращаются в эллипсы, меняются их размеры, расположение на небе и среднее значение температуры вдоль круга. Обнаружить тождественные круги при наличии подобных искажений становится гораздо труднее, и точности имеющихся сегодня данных становится недостаточно — нужны новые наблюдения, которые помогут разобраться с тем, есть они или их все же нет.

Многосвязная инфляция

Пожалуй, самая серьезная проблема всех топологически сложных космологических моделей, а их возникло уже немалое количество, имеет в основном теоретический характер. Сегодня стандартным считается инфляционный сценарий эволюции Вселенной. Он был предложен для объяснения высокой однородности и изотропности наблюдаемой Вселенной. Согласно ему вначале родившаяся Вселенная была достаточно неоднородной. Затем в процессе инфляции, когда Вселенная расширялась по близкому к экспоненте закону, ее изначальные размеры возросли на много порядков. Сегодня мы видим только малую часть Большой Вселенной, в которой по-прежнему остались неоднородности. Правда, они имеют столь большую пространственную протяженность, что внутри доступной нам области незаметны. Инфляционный сценарий пока является лучше всего разработанной космологической теорией.

Для многосвязной вселенной такая последовательность событий не подходит. В ней доступна для наблюдения вся ее уникальная часть и некоторые из ее ближайших копий. В таком случае структуры или процессы, описываемые масштабами, много большими наблюдаемого горизонта, существовать не могут.

Направления, в которых придется развивать космологию, если многосвязность нашей Вселенной подтвердится, уже ясны: это безинфляционные модели и так называемые модели со слабой инфляцией, в которых размеры вселенной за время инфляции возрастают всего в несколько раз (или десятков раз). Таких моделей пока нет, и ученые, стараясь сохранить привычную картину мира, активно ищут огрехи в результатах, полученных с помощью космического радиотелескопа.

Артефакты обработки

Одна из групп, которая вела самостоятельные исследования данных WMAP, обратила внимание на то, что квадрупольная и октупольная составляющие реликтового излучения имеют близкую друг к другу ориентацию и лежат в плоскости, почти совпадающей с галактическим экватором. Вывод этой группы: произошла ошибка при вычитании фона Галактики из данных наблюдений микроволнового фона и реальная величина гармоник совсем другая.

Наблюдения WMAP велись на 5 различных частотах специально для того, чтобы правильно разделить космологический и локальный фон. И основная команда WMAP считает, что обработка наблюдений была проведена корректно, и отвергает предложенное объяснение.

Имеющиеся космологические данные, опубликованные еще в начале 2003 года, были получены после обработки результатов только первого года наблюдений WMAP. Для проверки предложенных гипотез, как обычно, требуется повышение точности. К началу 2006 года WMAP ведет непрерывные наблюдения уже четыре года, этого должно хватить для повышения точности вдвое, но эти данные все еще не опубликованы. Нужно немного подождать, и, возможно, наши предположения о додекаэдрической топологии Вселенной примут вполне доказательный характер.

Михаил Прохоров, доктор физико-математических наук

Проверка справедливости космологической модели Вселенной, по которой около 72% ее массы приходится на темную энергию, по новой методике подтвердила, что Вселенная "плоская", а так называемая космологическая постоянная, которую Альберт Эйнштейн называл своей главной ошибкой, может быть объяснением ускорения ее расширения, считают авторы статьи, которая будет опубликована в журнале Nature в четверг.

Альберт Эйнштейн добавил космологическую постоянную, характеризующую свойства вакуума, в собственные уравнения общей теории относительности, чтобы те допускали существование стабильной Вселенной, которая не сжимается и не расширяется. Однако через некоторое время после этого американский астроном Эдвин Хаббл показал, что на самом деле Вселенная расширяется, а сам Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей "самой большой ошибкой".

Космологическая постоянная осталась предметом интереса ученых, но до 1990-х годов считалось, что она незначительно отличается от нуля. В 1998-1999 годах наблюдения за сверхновыми показали, что Вселенная расширяется с ускорением, а затем данные зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), изучающего реликтовое излучение, "эхо" Большого взрыва, заставили ученых предположить, что "расталкивает" Вселенную таинственная темная энергия, на которую приходится около 72% ее массы. Эти выводы пробудили новый интерес к космологической постоянной.

Кристиан Маринони (Christian Marinoni) и Эдлин Буцци (Adeline Buzzi) из университета Прованса (Франция) предложили новую методику проверки справедливости представлений о структуре и свойствах Вселенной, основанную на геометрии пар галактик с большим красным смещением, то есть сильно удаленных от наблюдателя. Они воспользовались тем фактом, что, по современным представлениям, "форма" Вселенной зависит от ее "содержания", а значит, геометрические измерения можно использовать для определения состава Вселенной и, в частности, количества в ней темной энергии.

Ученые использовали модификацию теста Элкока-Пачиньски, разработанного американским и польским астрономами более 30 лет назад. Этот тест основан на рассмотрении симметричных объектов в космическом пространстве как "стандартных сфер", любые искажения которых будут связаны с искажением пространства, вызванным расширением Вселенной.

Этот тест неоднократно пытались применить, например, для скоплений галактик, однако для этого не хватало точности измерений. Маринони и Буцци изучили распределение взаимной ориентации пар галактик, обращающихся друг вокруг друга. Во Вселенной без темной энергии это распределение было бы сферически симметричным - то есть количество пар, ориентированных в любом из направлений, было бы одинаковым.

Наблюдения показали, что на самом деле, чем дальше от Земли находятся пары галактик, тем более асимметричным было распределение их ориентации - больше пар было расположено вдоль луча обзора от Земли. Это, как отмечают ученые, соответствует модели плоской Вселенной.

Плоская Вселенная (flat Universe) - это такая модель развития Вселенной, по которой ее расширение бесконечно, а кривизна пространства - нулевая, то есть оно плоское. В такой модели жизнь Вселенной заканчивается либо "Большим Морозом" (Big Freeze), когда расширяющаяся Вселенная переживает тепловую смерть - в такой системе с равномерно распределенной энергией невозможна никакая механическая работа или движение, либо "Большой Разрыв" (Big Rip), когда ускорение расширения "пересилит" электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия, и Вселенная просто "порвется". Ранее на "плоскость" Вселенной указывали данные того же WMAP.
с темной энергией.

Кроме того, как отмечают исследователи, им удалось показать, что наиболее удачным объяснением феномена темной энергии может быть именно эйнштейновская космологическая постоянная, обозначающая энергию вакуума. Ученые, по их словам, получили и самую точную на сегодня оценку величины этой постоянной.