Формата на Вселената: плоска ли е и какво казват наблюденията

Разберете дали Вселената е плоска: анализ на наблюденията, най-новите измервания и какво означава плоскостта за космологията и бъдещите открития.

Формата на Вселената не може да бъде обсъждана с обикновени термини, защото всички термини трябва да бъдат от Айнщайновата теория на относителността. Следователно геометрията на Вселената не е обикновената евклидова геометрия от нашето ежедневие. Общата теория на относителността свързва разпределението на материята и енергията с кривината на пространството‑време, а от тази кривина идват наблюдаемите ефекти върху разпространението на светлината и движението на телата.

Едновременност, наблюдение и "формата" във времето

Според специалната теория на относителността е невъзможно да се каже дали две различни събития се случват по едно и също време, ако тези събития са разделени в пространството. Да се говори за "формата на Вселената (в даден момент от време)" е наивно от гледна точка на специалната теория на относителността. Поради относителността на едновременността не можем да говорим за различни точки в пространството като "намиращи се в един и същи момент във времето", нито следователно за "формата на Вселената в даден момент във времето". В космологията обаче често се работи с подходящи сечение на пространството‑време (т.нар. пространствени хиперплощини), в които се дефинира "пространството в даден космичен момент" при приемане на космологичния принцип (хомогенност и изотропност).

Наблюдаемата Вселена и ограничението на измерванията

Астрофизиците се питат дали даден модел на Вселената съответства на това, което е известно от наблюденията и измерванията на Вселената. Ако наблюдаемата Вселена е по-малка от цялата Вселена (в някои модели тя е с много порядъци по-малка или дори безкрайно малка), наблюдението е ограничено до част от цялото. Наблюдаемата вселена е основата за проверка на всеки модел на вселената. Тя представлява сферичен обем (топка), чийто център е наблюдателят, независимо от формата на Вселената като цяло. Всяко място във Вселената има своя собствена наблюдаема вселена, която може да се припокрива, но може и да не се припокрива с тази, чийто център е Земята.

Две понятия за "форма": локална геометрия и глобална топология

Разглеждането на формата на Вселената може да се раздели на две части:

1. локална геометрия, която се отнася най-вече до кривината на Вселената, особено в наблюдаемата Вселена, и
2. глобална геометрия, която се отнася до топологията на Вселената като цяло, чието измерване може да не е възможно.

Локалната геометрия описва дали пространството на големи мащаби е изкривено по начин, подобен на повърхността на сфера (положителна кривина), на седло (отрицателна кривина) или е с нулева кривина (плоско — евклидово). Глобалната топология отговоря на въпроса дали пространството е крайно или безкрайно и дали има неочаквани свързвания — например дали едно "праволинейно" трасе може да доведе обратно до изходната точка (както при 3‑торус).

Какво означава "плоска" Вселена

Когато се каже, че Вселената е "плоска", обикновено се има предвид, че пространствената кривина е много близка до нула на мащаби, които наблюдаваме. В рамките на стандартния FLRW (Фридман–Лемайър–Робертсън–Уолкър) модел това се свързва с параметъра на плътността: при критична средна плътност пространството е плоско. Практически това означава, че геометричните връзки между дължини и ъгли приличат на евклидовите до наблюдаваната прецизност.

Наблюдателни основания и ограничения

Основните наблюдения, които дават информация за кривината и формата на Вселената, включват:

• Космическия микровълнов фон (CMB) — прецизните карти от мисии като WMAP и Planck измерват ъгловия размер на характерни флуктуации и поставят строги ограничения за пространствената кривина.
• Барионни акустични осцилации (BAO) и разпределението на галактиките — дават стандартни "мащаби" в космическата структура и помагат да се определи геометрията чрез съчетание с други данни.
• Светлинни огнища тип Ia (свръхнови) — позволяват да се проследи разширението на Вселената във времето и да се комбинират с CMB/BAO за ограничаване на моделите.

Комбинацията от тези наблюдения дава много малка стойност за параметъра на кривината (често означаван като Ωk), тоест данните са в съгласие с пространствено плоска Вселена до високата точност, с която можем да измерваме. В подкрепа на това НАСА заяви: "Вече знаем, че Вселената е плоска само с 0,4% грешка". Този резултат обаче е зависим от приетите модели и от това как се комбинират различните набора от данни.

Възможни модели и глобални варианти

Дори при нулева локална кривина, глобалната форма може да е различна: пространството може да бъде плоско и безкрайно (неограничено), или плоско, но свързано по неевклидов начин (напр. тривиален 3‑торус), което прави пространството крайно, но без локална кривина. Ако кривината е малко положителна, моделът може да бъде затворен (например 3‑сфера) и крайно пространство. Ако е отрицателна — отворено, безкрайно и хиперболично. Някои специфични топологии (като т.нар. dodecahedral space) са били предлагани за обяснение на аномалии в CMB, но досега няма убедителни доказателства за конкретна нетривиална топология.

Ограничения на наблюденията и бъдещи перспективи

Има няколко причини, поради които окончателен отговор може да е недостижим. Наблюденията са ограничени до наблюдаемия хоризонт, има статистическо несигурност (cosmic variance) на най‑дългите вълни в CMB, а резултатите зависят от допусканията на модела (напр. наличие на извънредни енергийни компоненти, ранна необичайна фаза на разширение). Въпреки това, бъдещи и наскоро започнали проекти за измерване на CMB, големи галактически селекции, 21‑cm наблюдения и прецизни измервания на лещиране и гравитационни вълни ще подобрят ограниченията и евентуално ще дадат по‑пряка информация за глобалната топология.

Обобщение

В обобщение: текущите наблюдения на големи мащаби са в изключително добър съгласие с плосък FLRW модел — тоест локалната пространствена кривина е близка до нула в рамките на измеримото. Това не означава, че знаем окончателно дали цялата Вселена е безкрайна или има някаква сложна глобална топология. Възможно е Вселената да е много по‑голяма от наблюдаемата или дори безкрайна; възможно е също да е крайна, но с такива размери или връзки, че засега да не ги виждаме. По‑нататъшни наблюдения ще стесняват възможностите и ще ни приближават към по‑подробно разбиране на нейната форма.

Въпроси и отговори

В: Каква е формата на Вселената според сегашните наблюдения?

Въпрос: Как специалната теория на относителността влияе върху разбирането ни за формата на Вселената?

Въпрос: Какъв вид геометрия използват астрофизиците, когато обсъждат формата на Вселената?

Въпрос: Всяко място във Вселената ли е част от наблюдаемата Вселена?

В: Какво се има предвид под "плосък", когато става дума за модел за описание/предсказване на аспекти на Вселената?

Въпрос: Има ли други модели, които отговарят на данните от наблюденията, освен безкрайно плоския модел на FLRW?

Търсене по буква