Куб или космическа поничка: физиците се опитват да „чуят“ формата на космоса

Реликтовото ехо ще ни покаже дали Вселената е затворена.

Петнадесет учени от седем държави се обединиха в международната група Compact, за да намерят отговор на един от основните въпроси на космологията: къде свършва Вселената и свършва ли изобщо? През април 2024 г. в списание Physical Review Letters те представиха нов метод на търсене. Изследователите са уверени: предишните опити да се определи формата на космическото пространство не са изчерпали всички възможности. Сега, когато разполагат с мощни компютри, за които преди 10 години можеха само да мечтаят, човечеството най-накрая има шанс да напредне в решаването на тази загадка.

За пръв път върху този въпрос се е замислил Аристотел през 350 г. преди новата ера. Философът го е смятал за „най-важното нещо в търсенето на истината“. Наблюдавайки небесните тела, той забелязал, че те се движат около Земята по кръгови орбити. И тъй като тяло, което се движи по окръжност, не може да бъде безкрайно, това означава, че Вселената трябва да има граници.

Разсъжденията на древния философ може да не изглеждат много убедителни, но заключението му може да е било правилно. Повече от две хиляди години по-късно все още не знаем със сигурност дали Вселената е ограничена в пространството. Тя може да е безгранична, да се простира до безкрайност във всички посоки, или да е затворена в компактна форма – например да прилича на сфера или тор, геометрична фигура с форма на багета.

„Размерът и формата на Вселената е един от най-важните и фундаментални въпроси, които можем да си зададем“, казва Нийл Корниш, астрофизик от Държавния университет в Монтана, който не участва в проекта Compact. Той казва, че учените вече са натрупали достатъчно данни, за да направят възможно най-пълен анализ.

През 1998 г. в статията „Кръгове в небето“ Нийл Корниш и Глен Старкман предлагат нов начин за изучаване на космическата топология, който определя посоката на изследванията за много години напред.

Те предполагат, че светлината може да достигне до Земята по различни пътища, пътувайки през почти цялото съществуване на Вселената. Точно както самолет, който може да избере два маршрута от Испания до Нова Зеландия: или на изток през Азия, или на запад през Америка.

За да разберат възможната форма на космоса, физиците използват триизмерен модел на тор. В две измерения торът прилича на багел: светлината се движи или по външната му окръжност, или през дупката в центъра, като неизменно се връща в началната си точка. Триизмерната версия може да си представим като куб с необичайни свойства: струва си да се излезе през един от краищата му, след което веднага се стига до противоположната страна.

Първите следи от подобна необичайна геометрия на пространството учените потърсиха в реликтовото микровълново излъчване – най-старата светлина във Вселената, която идва към нас от всички посоки. Това лъчение носи информация за това как е изглеждал космосът само 380 000 години след Големия взрив – тогава фотоните за първи път са започнали да пътуват свободно в пространството.

Корниш и колегите му внимателно са проучили данните от космическия апарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), опитвайки се да открият идентични кръгове в модела на реликтовото излъчване. Въпреки това, едно проучване от 2004 г. не открива такива структури. Когато около десет години по-късно космическата обсерватория Planck се зае със случая, резултатът беше същият – признаци на затворена Вселена не бяха открити.

Фактът, че не са открити характерните кръгови структури, може да говори за две неща. Или Вселената наистина е безкрайна, или просто е много по-голяма от площта, която можем да наблюдаваме. Във втория случай сферата на крайното разсейване – повърхността, от която до нас достига реликтовото излъчване – просто не достига границите на нашия свят.

Новият подход на групата Compact се основава на една идея на математика Марк Кац от 1966 г. Яшар Акрами от Института по теоретична физика в Мадрид я обяснява по следния начин:

„Представете си, че затваряте очи и слушате звука на барабан. Можете ли, анализирайки честотите и амплитудите на този звук, да разберете формата на инструмента?“

По подобен начин учените се надяват да „чуят“ формата на Вселената, като изследват акустичните вълни, които са оставили следи в реликтовото излъчване.

Ако внимателно разгледаме реликтовото излъчване, ще забележим, че температурата му леко варира от точка до точка, като някои области са малко по-топли от средното, а други – по-хладни. Тези разлики са възникнали в резултат на звуковите вълни, които са се разпространявали в плазмата на младата Вселена. Самите вълни са се появили поради квантови флуктуации – малки колебания в тъканта на пространството, които са се засилили по време на бързото разширяване в първите мигове след Големия взрив. Процесът наподобява вълничките по повърхността на езеро от хвърлени камъни с различни размери.

Крейг Коуп от екипа на „Компакт“ сравнява работата си с възстановяването на музикална партитура от стар запис с ниско качество. Различната геометрия на Вселената може да засили някои честоти и да потисне други – точно както флейтата пиколо и тубата, макар и класифицирани като духови инструменти, звучат много различно.

Една от най-интересните загадки на реликтовото излъчване е свързана с това как температурите в различни точки на Вселената се отнасят една към друга. Ако се измери температурата на две места, разделени от ъгъл, по-малък от 60 градуса, често се оказва, че ако едната точка е по-топла от средното, то и другата е по-топла. Но ако увеличите ъгъла, тази закономерност изчезва. Учените все още не могат да обяснят защо се случва това.

Решаването на тази загадка изследователите започват с най-простите варианти – седемнадесет различни плоски пространства. Най-простото от тях, което се обозначава като Е1, е триизмерен тор. Девет такива пространства се наричат ориентируеми: ако наблюдател се движи в тях по затворен път, той се връща в началната точка в същото положение.

Миналата година групата Compact публикува шаблони за всичките девет ориентируеми плоски топологии. Данните за останалите осем неориентируеми конфигурации трябва да бъдат публикувани в началото на тази година. В тези пространства, подобно на лентата на Мьобиус, е невъзможно да се определи къде се намират горната и долната част: след като е изминал пълен кръг, наблюдателят ще се окаже в обърнато положение.

Успоредно с това Акрами и неговият докторант изследват пространствата с положителна кривина, подобни на сфера. Екипът не се ограничава само с изучаването на реликтовото излъчване. Учените планират да използват и данни за това как галактиките са разпределени в пространството. За разлика от реликтовото излъчване, което ни дава един вид плоска картина, звездните купове запълват обем от пространството. Това означава, че те могат да ни кажат много повече за структурата на космоса.

През следващите години новите космически телескопи – Euclid, Roman и Spherex – ще направят подробни карти на разпределението на галактиките. Те ще помогнат да се провери как различните геометрични конфигурации би трябвало да влияят на разположението на космическите обекти.

Глен Старкман смята, че засега никой не може да предвиди дали търсенето ще бъде успешно. Той обаче е сигурен: ако Вселената наистина има необичайна форма, това би могло да обясни не само странната особеност на реликтовото излъчване с неговата 60-градусова граница на корелациите, но и загадъчните разлики в структурите, наблюдавани над и под равнината на орбитата на Слънчевата система. Все още никой не е предложил друго убедително обяснение на тези аномалии.

Да напомним, че носителят на Нобелова награда за физика сър Роджър Пенроуз също се отнася сериозно към темата. През 2020 г. той заяви, че Вселената може да е съществувала преди Големия взрив, което доказва съществуването на реликтовото излъчване – слабо топлинно излъчване, което запълва равномерно Вселената. Счита се, че то съхранява отпечатъци от историята и еволюцията на Вселената.