Карта космического микроволнового фонового излучения. Фото: ЕКА и коллаборация Планк. noirlab.edu/public/images/CMB.
В новом исследовании Physical Review Letters (PRL) ученые исследуют возможность нетривиальных или экзотических топологий во Вселенной для объяснения некоторых аномалий, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне (CMB).
Наша космологическая модель Вселенной, основанная на квантовой механике и общей теории относительности, рассматривает геометрию Вселенной под влиянием материи и энергии, которая для большинства целей считается плоской.
Однако оно ничего не говорит о топологии самой Вселенной: бесконечна ли она, есть ли в ней петли и т. д. Исследование PRL фокусируется на этом аспекте Вселенной и на том, допускают ли современные модели и данные наличие этих экзотических или нетривиальных топологий.
Исследование проводится в рамках коллаборации COMPACT, состоящей из международной команды ученых. Один из соавторов исследования, профессор Гленн Д. Старкман из Университета Кейс Вестерн Резерв в Огайо, США, рассказал Phys.org о работе команды.
Обсуждая свою мотивацию продолжать эту работу, он сказал: «Возможность того, что Вселенная имеет «интересную» топологию, полностью находится в пределах нашей Стандартной модели физики, но, тем не менее, обычно считается экзотикой».
«Я уже давно обеспокоен тем, что мы пропустим экстраординарное открытие о нашей Вселенной, просто посмотрев в другую сторону. Тем временем появляется все больше свидетельств того, что Вселенная не является «статистически изотропной», то есть что физика одинакова во всех направлениях. Топология — это очень естественный путь проникновения анизотропии в нашу Вселенную».
Космический микроволновый фон
Реликтовое излучение — это тип излучения, принадлежащий микроволновому спектру. Предсказанный в 1940-х годах как остаток Большого взрыва, он был обнаружен случайно в 1965 году.
После Большого взрыва, благодаря которому возникла нынешняя Вселенная, не было ничего, кроме супа из фундаментальных частиц и газов при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, который часто называют первичным супом.
По мере расширения Вселенной она также охлаждалась. Это привело к объединению фундаментальных частиц в атомы. До этого момента фотоны взаимодействовали с этими фундаментальными частицами и рассеивались, не позволяя им свободно перемещаться. Но как только атомы начали формироваться, фотоны перемещались более свободно, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва.
Это ознаменовало распространение реликтового излучения, которое считается «послесвечением» Большого взрыва. Он содержит важную информацию о ранней Вселенной и последующих процессах, которые привели к образованию крупномасштабных структур, таких как звезды и галактики.
CMB присутствует повсюду и по большей части однороден по температуре. Однако в данных CMB есть небольшие колебания и аномалии, которые не получили объяснения.
Исследователи из исследования PRL предполагают, что эти флуктуации и аномалии в измерениях реликтового излучения можно объяснить, рассматривая нетривиальные топологии Вселенной, что означает, что нам не нужно смотреть на нее как на «плоскую».
Космическая топология
Топология — раздел математики, изучающий форму и структуру объектов. Правила топологии сильно отличаются от правил геометрии. Хотя геометрия и топология — разные понятия, геометрия влияет на топологию.
Геометрия определяет, как пространство искривлено (пространство-время считается плоским в малых масштабах), а топология определяет общую связность пространства.
Если бы у нас было плоское пространство, у нас не было бы топологий, в которых пространство искривляется внутрь или имеет петли. Это означает, что для путешествия между двумя точками нам придется идти по прямой линии без каких-либо объездов или петель.
Профессор Старкман объяснил: «Вселенная может быть похожа на старую видеоигру, в которой выходя из правой части экрана, вы оказываетесь в левой, так что вы можете вернуться туда, откуда начали, по прямой линии. Это называется многосвязностью».
По сути, прямой путь предполагает, что, несмотря на видимость непрерывного движения, основная топология пространства допускает неожиданную связность, когда то, что кажется линейной траекторией, может на самом деле зацикливаться на себе.
Соответствующие температурные круги
Если бы Вселенная была «многосвязной» (т. е. имела нетривиальную топологию), мы бы наблюдали совпадающие температурные круги. Это связано с тем, что свет, исходящий от источника (например, звезды), может двигаться по двум разным путям и достигать наблюдателя (Земли) с двух направлений.
Это оставляет аналогичные колебания температуры на карте реликтового излучения (или тепловой карте), что приводит к совмещению температурных кругов. Однако не было никаких доказательств наличия этих совпадающих температурных кругов.
«Отсутствие совпадающих температурных кругов говорит нам о длине кратчайшего замкнутого контура, проходящего через нас, но не говорит нам о длине петель, проходящих через другие места», — сказал профессор Старкман.
Отсутствие совпадающих температурных кругов в данных реликтового излучения предполагает, что если существует нетривиальная топология, петли, проходящие через наше местоположение (Землю), должны быть относительно небольшими.
Это накладывает ограничение на длину этих циклов. Профессор Старкман объяснил: «Если аномалии реликтового излучения обусловлены космической топологией, то длина самых коротких витков, проходящих через нас, не должна быть более чем на 20–30% длиннее диаметра последней рассеивающей поверхности — сферы с радиусом равно расстоянию, которое прошел свет за всю историю Вселенной».
Будущие ограничения и поиски
Учитывая вышеуказанное ограничение и поиск нетривиальной топологии, исследователи предлагают дополнительные способы обнаружения такой топологии в будущем.
В частности, они упоминают изменения в статистических закономерностях температурных колебаний в данных реликтового излучения, а также в крупномасштабной структуре Вселенной. Эти флуктуации или чередования выявились бы, если бы присутствовала нетривиальная топология.
Но эти обнаружения требуют огромной вычислительной мощности, и исследователи предлагают использовать алгоритмы машинного обучения для ускорения вычислений и анализа данных реликтового излучения для обнаружения нетривиальной топологии.
«Поиски топологии возобновятся примерно после десятилетнего перерыва. Будем надеяться, что мы обнаружим космическую топологию и тем самым поймем происхождение анизотропии нашей Вселенной и получим представление о процессах, ответственных за первоначальное возникновение нашей Вселенной». «, заключил профессор Старкман.
В исследовании также подчеркивается, что даже при отсутствии явно совпадающих кругов наличие статистической анизотропии (или аномалий) в реликтовом излучении указывает на потенциальное существование обнаруживаемой информации о структуре и топологии Вселенной.
