Вселената е крива, защото е отворена?

Откакто тези данни в първата половина на текущата година станаха обществено достояние, възникна спор не на шега за причините на неравномерността на температурата в различни сектори на небето.

Първо се появи хипотезата за това, че разпределението на материя-енергията и съответстващата му картина на реликтово лъчение се различават, защото ние живеем във вътрешността на Вселена, недостатъчно голяма, за да изключим всички статистически флуктуации на разпределянето на такова лъчение по небето. Ако тя беше малко по-голяма, картината на небето щеше да е изотропна.

Но тогава е съвсем неясно защо Вселената е нееднородна на толкова внушителни мащаби, докато предишни изследвания сочеха за нейната изотропност на дистанции над сто мегапарсека.

Според теорията пространствените различия в реликтовото лъчение трябва да отразяват флуктуациите на плътността на ранната Вселена, от които са израснали всички тези галактики и други космически структури. Същата теория предсказва, че статистически Вселената като цяло трябва да е хомогенна, тоест колебания да съществуват само на малки мащаби – от порядъка на галактики и техни купове, но далеч не в пределите на цялата Вселена.

Разбира се, измерванията на „Планк” (а и на неговия предшественик WMAP) все още ожесточено се обсъждат. Отделни астрономи твърдят, че данните за температурните различия в полукълбата на небето имат значимост „в някакви си 3σ». Да, за обикновените хора всичко, което е с вероятност над 99,5%, се оценява като достоверно, но физиците често изискват пет сигма, тоест съществено по-високо ниво на точност, което засега е недостъпно за нито един земен космически апарат.

Построяването на нов и по-точен „Планк” е реално, но защо е необходимо, иронизират привържениците на достоверността на данните от последния.

Преди пет години, обсъждайки по-несъвършените резултати от WMAP, също забелязал нееднородност в реликтовото лъчение, тоест и във Вселената, скептиците също изисквали по-точно определяне на различието в температурата на реликтовото лъчение. Макар че новият апарат го е направил, те „все още не са убедени”. Какво ще ги накара да размислят при поредното уточняване на изходните данни?

Разбира се, това е по-скоро шега: 5σ ще убеди всички. В същото време някои учени вече заявиха, че ако разполагахме с няколко панорами на небето с реликтово лъчение, то нееднородност нямаше да има. Но небето около Земята е само едно, затова… Общо взето, разбрахте.

И все пак нека да разгледаме ситуацията, изхождайки от това, че флуктуациите, забелязани от „Планк”, са реални. Има два начина да се обяснят те. Първият е да се модифицира модел на инфлацията, свръхбързото раздуване на Вселената в началната фаза на нейното развитие. Самата инфлация вероятно е била предизвикана от квантово скаларно поле, известно като инфлатонно. Неин квант бил инфлатонът.

Пертурбациите и смущенията в инфлатонното поле може да имат своя причина както в смущения на първоначалното разпределение на масата в ранната Вселена, така и във въздействието на друго, изкривяващо скаларно поле, чийто квант бил курватонът.

Взаимодействието на инфлатона и курватона така изкривяват Вселената, че тя станала „крива”, тоест в едната страна на небето реликтовото лъчение по-ярко, отколкото в другата. Затова флуктуациите в разпределението на материята би трябвало да са свързани с вълновите флуктуации на курватона. Такова обяснение вече е предлагано през 2008 година за обосноваване на данните от космическата сонда WMAP, също сочещи нееднородност (анизотропия) на Вселената.

За да получат наблюдаваните показатели на изкривяване на Вселената от курватона, параметрите на неговата флуктуация били просто въведени от наблюдаваните данни на анизотропията на реликтовото лъчение.

Този подход има очевидни проблеми – защо анизотропията и вълновите параметри на курватона са именно такива? Ето как описва методиката за получаване на такива параметри един от авторите на курватона през 2008 г: „Просто извадихме от шапката флуктуациите на курватона.” Да, както фокусник вади зайче.

Сега Андрю Лидъл и Мартина Кортес от Единбургския университет предлагат втори път. Изкривяването на Вселената може да възникне по естествен път, твърдят те, ако Вселената се явява открита. Откритата Вселена ще има отрицателна крива, където паралелните линии в крайна сметка ще се разминават, както повърхността на седалка (виж илюстрацията).

Да предположим, че вие сте охлювът, който стреля с два бластера. В общоприетия модел за геометрията на Вселената лъчите от тях вървят успоредно. Ако Лидъл и Кортес са прави (горният вариант на геометрия на Вселената), то с времето лъчите се разминават, а Вселената се явява открита, а не затворена, както се смята днес.

Друг е въпросът, че такава открита Вселена изисква нейната плътност да е под критичната, при която привличането на материята е способно да преодолее кинетичната енергия, с която различни части на Вселената се разлитат настрани.

Сега във физичната общественост за общоприето се смята предположението, че Вселената всъщност се явява по-скоро плоска, отколкото изкривена. Но съществуващите измервания оставят празнина за такъв вариант, в който общата плътност се различава от критичната само с 1%. В такъв случай Вселената изглежда плоска, но в действителност тя е изкривена с характерен радиус, превишаващ наблюдавания от нас хоризонт (тоест размерите на Вселената) с не повече от една степен.

И така, в тази хипотеза е налице радиус на кривата, отиващ зад хоризонта, и именно той определя дължината на вълната на флуктуацията на курватона, отговарящ за наблюдаваната асиметрия на реликтовото лъчение. Подобна честота на курватона, според изследователите, по естествен начин сама възниква в моделите на „открита инфлация”, разработени през 90-те години, до утвърдената от съвременния поглед геометрия на Вселената.

В такива модели Вселената възниква като мехур в по-голямата Мегавселена (или Мултивселена). Самият мехур се появява чрез тунелния ефект, когато вакуумът на Мегавселената превключва от едно енергийно състояние към друго. Скоростта на разширяването на мехура се приближава до светлинната.

Изглежда, безкрайното пространство на откритата Вселена не може да бъде заключено в такъв разширяващ се мехур в Мегавселената чийто обем очевидно е ограничен. Но това е възможно, ако се вземе под внимание, че времето в мехура на нашата Вселена се определя различно от това извън него.

Ако ние се ограничим в 2D пространство, тогава вътрешното време на нашата Вселена ще бъде безкрайно огъната плоскост, или хиперповърхност в пространство-времето на по-голямата Мегавселена. Според моделите на откритата инфлация квантовото тунелиране, породило мехура на Вселената, също ще предизвика флуктуации в стените на мехура. А те ще бъдат флуктуации на кривата, които напълно се вместват в наблюдаваните отклонения от изотропността на реликтовото лъчение.

Моделът има недостатък: той, както и предишната хипотеза от 2008 г., не зависи от мащабите. Това означава, че двете страни на небето трябва да имат различни амплитуди плътност-флуктуация за участъци от небето под 3°. Но от астрономичните наблюдения (например на квазарите) не се установява нищо такова.

В рамките на такава хипотеза, от гледна точка на обитателя на Мегавселена, нашата Вселена се е образувала в момента T0. След това в следващите моменти, определени като T1, T2 и т.н., Вселената се разширява. Местоположението на конкретни обекти в нея е показано с жълти точки, а тяхното преместване на видимото небе – с жълт пунктир. В такъв случай анизотропията на реликтовото лъчение може да възникне по напълно естествен начин.

Последният проблем принципно може да се заобиколи, в случай че и инфлатонът, и курватонът заедно са генерирали първоначалните флуктуации на ранната Вселена, поради които ние наблюдаваме днес анизотропията на реликтовото лъчение.

Новият модел на Вселената – което само радва – подлежи на проверка от наблюденията – ако Вселената наистина е открита, то изучаването на данните от „Планк” ще позволят окончателно да се потвърди или опровергае концепцията за открита инфлация.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Physical Review Letters.

Източник: Physics