Τι σχήμα έχει το σύμπαν μας; Τι σχήμα έχει το Σύμπαν; Κλασική τοπολογία του χώρου

> Ποιο είναι το σχήμα του Σύμπαντος;

Με ποια μορφή υπάρχει το Σύμπαν;: εξερεύνηση του άπειρου χώρου, χάρτης υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων WMAP, γεωμετρία του Σύμπαντος και εκτιμώμενα σχήματα με φωτογραφίες.

Αξίζει καν να σκεφτούμε τι σχήμα έχει το Σύμπαν; Με τι έχουμε να κάνουμε; Σφαίρα? Κώνος? Διαμέρισμα? Και πώς να το προσδιορίσετε αυτό;

Το Σύμπαν είναι το μόνο μέρος στο οποίο υπάρχουμε και πέρα ​​από το οποίο δεν μπορούμε να ξεφύγουμε (γιατί δεν υπάρχουν). Χάρη στους φυσικούς νόμους, τις φυσικές σταθερές και τα βαρέα μέταλλα που εκρήγνυνται, καταφέραμε να δημιουργήσουμε ζωή σε μια μικρή βραχώδη μπάλα, χαμένη σε έναν από τους πολλούς γαλαξίες.

Αλλά δεν θέλετε να μάθετε πού μένετε; Απλώς πάρτε την ευκαιρία να δείτε τα πάντα από έξω, όπως κάναμε με τον γηγενή μας πλανήτη Γη. Για εσένα να δεις? Ατελείωτο σκοτάδι; Πολλές φυσαλίδες; Χιονόμπαλα? Ένας λαβύρινθος αρουραίων στα χέρια εξωγήινων ή κάτι άλλο; Ποιο είναι το σχήμα του Σύμπαντος;

Λοιπόν, η απάντηση είναι πολύ πιο απλή, αλλά και πιο περίεργη. Οι άνθρωποι άρχισαν να σκέφτονται το σχήμα του Σύμπαντος στην αρχαιότητα. Και οι άνθρωποι, λόγω έλλειψης ενημέρωσης, πρόσφεραν μερικά υπέροχα πράγματα. Στα ινδουιστικά κείμενα ήταν ένα αυγό σε σχήμα άνδρα. Οι Έλληνες είδαν ένα νησί να επιπλέει στο κενό. Ο Αριστοτέλης λέει ότι το Σύμπαν έχει το σχήμα μιας άπειρης σφαίρας ή απλά μιας χελώνας.

Είναι ενδιαφέρον ότι οι συνεισφορές του Άλμπερτ Αϊνστάιν βοηθούν στη δοκιμή καθενός από αυτά τα μοντέλα. Οι επιστήμονες έχουν καταλήξει σε τρία αγαπημένα σχήματα: θετικά καμπυλωμένα, αρνητικά καμπυλωμένα και επίπεδα. Καταλαβαίνουμε ότι το Σύμπαν υπάρχει σε 4 διαστάσεις και οποιαδήποτε από τις φιγούρες συνορεύει με την τρελή γεωμετρία του Lovecraft. Χρησιμοποίησε λοιπόν τη μέγιστη φαντασία σου και πάμε!

Με τη θετικά κυρτή έκδοση, έχουμε μια τετραδιάστατη σφαίρα. Αυτή η ποικιλία έχει τέλος, αλλά δεν έχει ξεκάθαρο όριο. Πιο συγκεκριμένα, δύο σωματίδια θα το διέσχιζαν πριν επιστρέψουν στην αρχή. Μπορείτε να το δοκιμάσετε ακόμη και στο σπίτι. Πάρτε ένα μπαλόνι και τραβήξτε μια ευθεία γραμμή μέχρι να επιστρέψει στο σημείο εκκίνησης.

Αυτό το είδος ταιριάζει σε τρεις διαστάσεις και εμφανίζεται αν υπάρχει τεράστια ποσότητα ενέργειας στο διάστημα. Για να λυγίσει ή να κλείσει εντελώς, ο χώρος θα έπρεπε να σταματήσει να επεκτείνεται. Αυτό θα συμβεί εάν εμφανιστεί ένα απόθεμα ενέργειας μεγάλης κλίμακας που μπορεί να δημιουργήσει ένα πλεονέκτημα. Τα τρέχοντα στοιχεία δείχνουν ότι η επέκταση είναι μια ατέρμονη διαδικασία. Άρα αυτό το σενάριο αποκλείεται.

Το αρνητικά κυρτό σχήμα του Σύμπαντος είναι μια τετραδιάστατη σέλα. Είναι ανοιχτό, χωρίς όρια στο χώρο και στο χρόνο. Υπάρχει λίγη ενέργεια εδώ, επομένως το Σύμπαν δεν θα σταματήσει να διαστέλλεται. Εάν στείλετε δύο σωματίδια κατά μήκος ευθειών, δεν θα συναντηθούν ποτέ, αλλά απλώς θα αποκλίνουν μέχρι να πάνε σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

Εάν μια κρίσιμη ποσότητα ενέργειας κυμαίνεται μεταξύ των άκρων, τότε μετά το άπειρο η διαστολή θα σταματήσει. Αυτό είναι ένα επίπεδο Σύμπαν. Εδώ τα δύο σωματίδια θα ταξιδεύουν παράλληλα, αλλά ποτέ δεν θα χωριστούν ή θα συναντηθούν.

Είναι εύκολο να φανταστεί κανείς αυτά τα τρία σχήματα, αλλά υπάρχουν πολλές περισσότερες επιλογές. Η μπάλα ποδοσφαίρου θυμίζει την ιδέα ενός σφαιρικού σύμπαντος. Το ντόνατ είναι τεχνικά επίπεδο, αλλά συνδεδεμένο σε ορισμένα σημεία. Μερικοί πιστεύουν ότι τα τεράστια ζεστά και δροσερά σημεία μιλούν υπέρ αυτής της επιλογής. Μπορείτε να δείτε τα υποτιθέμενα σχήματα του Σύμπαντος στη φωτογραφία.

Και τώρα ερχόμαστε στον σωλήνα. Αυτός είναι ένας άλλος τύπος αρνητικής καμπυλότητας. Το ένα άκρο θα είναι στενό και το άλλο θα είναι φαρδύ. Στο πρώτο ημίχρονο όλα έμοιαζαν στενά και υπήρχαν σε δύο διαστάσεις. Και σε μια ευρεία, θα ήταν δυνατό να διανύσετε μέγιστες αποστάσεις, αλλά θα έπρεπε να επιστρέψετε προς την αντίθετη κατεύθυνση (η κατεύθυνση αλλάζει στην στροφή).

Τι τότε? Με τι έχουμε να κάνουμε; Κουλούρι? Πνευστό όργανο? Ένα τεράστιο κεφάλι τυριού; Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη αποκλείσει επιλογές με σωλήνα και σέλα.

Οι γκρινιάρηδες θα υποστηρίξουν ότι όλα αυτά είναι άσκοπα και δεν θα μάθουμε ποτέ την αλήθεια. Ας μην είμαστε όμως τόσο κατηγορηματικοί. Τα τελευταία στοιχεία του Planck δείχνουν ότι το Σύμπαν μας είναι... επίπεδο! Απείρως πεπερασμένο, εντελώς άκαμπυλο και με ακριβή κρίσιμη ποσότητα ενέργειας.

Είναι αδιανόητο όχι μόνο να μπορούμε να μάθουμε πώς μοιάζει το Σύμπαν, αλλά υπάρχουν άνθρωποι που προσπαθούν συνεχώς να βρουν ακόμα περισσότερες πληροφορίες. Εάν το "επίπεδο" σας φαίνεται βαρετό, τότε μην ξεχνάτε ότι δεν έχουμε αρκετές πληροφορίες ακόμα. Είναι λοιπόν απολύτως πιθανό να υπάρχουμε όλοι σε ένα γιγάντιο ντόνατ.

Φανταστείτε μια πολύ μεγάλη μπάλα. Αν και φαίνεται τρισδιάστατο από έξω, η επιφάνειά του - μια σφαίρα - είναι δισδιάστατη, γιατί υπάρχουν μόνο δύο ανεξάρτητες κατευθύνσεις κίνησης κατά μήκος της σφαίρας. Εάν ήσουν πολύ μικρός και ζούσες στην επιφάνεια αυτής της μπάλας, θα μπορούσες κάλλιστα να υποθέσεις ότι δεν ζεις καθόλου σε μια σφαίρα, αλλά σε μια μεγάλη επίπεδη δισδιάστατη επιφάνεια. Αλλά αν μετρούσατε με ακρίβεια τις αποστάσεις σε μια σφαίρα, θα καταλάβατε ότι δεν ζείτε σε μια επίπεδη επιφάνεια, αλλά στην επιφάνεια μιας μεγάλης σφαίρας ( περίπου. μετάφρασηΕίναι μάλλον καλύτερο να κάνουμε μια αναλογία με την επιφάνεια της υδρογείου).
Η ιδέα της καμπυλότητας της επιφάνειας μιας μπάλας μπορεί να εφαρμοστεί σε ολόκληρο το Σύμπαν. Αυτή ήταν μια τεράστια ανακάλυψη Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Ο χώρος και ο χρόνος συνδυάστηκαν σε μια ενιαία γεωμετρική μονάδα που ονομάζεται χωροχρόνος, και αυτός ο χωροχρόνος είχε γεωμετρία, θα μπορούσε να είναι στριμμένα, ακριβώς όπως η επιφάνεια μιας τεράστιας μπάλας είναι κυρτή.
Όταν κοιτάτε την επιφάνεια μιας μεγάλης μπάλας ως ένα ενιαίο πράγμα, αισθάνεστε ολόκληρο τον χώρο της σφαίρας ως σύνολο. Οι μαθηματικοί αγαπούν την επιφάνεια μιας σφαίρας, έτσι ώστε αυτός ο ορισμός να περιγράφει ολόκληρη τη σφαίρα, και όχι μόνο ένα μέρος της. Μία από τις βασικές πτυχές της περιγραφής της γεωμετρίας του χωροχρόνου είναι ότι πρέπει να περιγράψουμε όλο τον χώρο και όλο τον χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να περιγράψουμε «όλα» και «πάντα» «σε ένα μπουκάλι». Η γεωμετρία του χωροχρόνου είναι η γεωμετρία όλου του χώρου συν όλου του χρόνου μαζί ως μια μαθηματική μονάδα.

Τι καθορίζει τη γεωμετρία του χωροχρόνου;

Βασικά, οι φυσικοί λειτουργούν έτσι - ψάχνουν για εξισώσεις κίνησης των οποίων οι λύσεις περιγράφουν καλύτερα το σύστημα που θέλουν να περιγράψουν οι φυσικοί. Η εξίσωση του Αϊνστάιναντιπροσωπεύει κλασική εξίσωση κίνησης χωροχρόνου. Είναι κλασικό γιατί τα κβαντικά φαινόμενα δεν λήφθηκαν υπόψη κατά την απόκτησή του. Και έτσι, η γεωμετρία του χωροχρόνου ερμηνεύεται ως μια αποκλειστικά κλασική έννοια, απαλλαγμένη από οποιεσδήποτε κβαντικές αβεβαιότητες. Γι' αυτό είναι η καλύτερη προσέγγιση στην ακριβή θεωρία.
Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, η καμπυλότητα του χωροχρόνου σε μια δεδομένη κατεύθυνση σχετίζεται άμεσα με την ενέργεια και την ορμή των πάντων σε όλο τον χωροχρόνο που δεν είναι χωροχρόνος. Με άλλα λόγια, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν συσχετίζουν τη βαρύτητα με τη μη βαρύτητα και τη γεωμετρία με τη μη γεωμετρία. Η καμπυλότητα είναι η βαρύτητα, και όλα τα άλλα είναι ηλεκτρόνια και κουάρκ, τα οποία αποτελούν τα άτομα, τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούν την ύλη, την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κάθε σωματίδιο - φορέας αλληλεπίδρασης (εκτός από τη βαρύτητα) - «ζει» στον καμπύλο χωροχρόνο και ταυτόχρονα καθορίζει αυτή την καμπυλότητα σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν.

Ποια είναι η γεωμετρία του χωροχρόνου μας;

Όπως μόλις σημειώθηκε, μια πλήρης περιγραφή ενός δεδομένου χωροχρόνου περιλαμβάνει όχι μόνο όλος ο χώρος, αλλά επίσης όλη την ώρα. Με άλλα λόγια, ο χωροχρόνος περιλαμβάνει όλα τα γεγονότα που έχουν συμβεί ποτέ και που θα συμβούν ποτέ.
Είναι αλήθεια, τώρα, αν είμαστε πολύ κυριολεκτικοί σε αυτήν την έννοια, μπορεί να αντιμετωπίσουμε προβλήματα, επειδή δεν θα μπορέσουμε να λάβουμε υπόψη όλες τις μικρότερες αλλαγές στην κατανομή της ενεργειακής πυκνότητας και της ορμής στο Σύμπαν που έχουν συμβεί ποτέ και θα εξακολουθούν να συμβαίνουν στο Σύμπαν. Όμως, ευτυχώς, ο ανθρώπινος νους είναι ικανός να λειτουργεί με έννοιες όπως π.χ αφαίρεσηΚαι προσέγγισηΈτσι, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα αφηρημένο μοντέλο που να περιγράφει χονδρικά το παρατηρήσιμο Σύμπαν αρκετά καλά σε μεγάλες κλίμακες, ας πούμε, στην κλίμακα των σμήνων γαλαξιών.
Αυτό όμως δεν αρκεί για να λύσουμε εξισώσεις. Είναι επίσης απαραίτητο να γίνουν ορισμένες απλοποιητικές υποθέσεις σχετικά με την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Η πρώτη υπόθεση που θα κάνουμε είναι αυτή Ο χωροχρόνος μπορεί να χωριστεί σε χώρο και χρόνο. Αυτό, ωστόσο, δεν μπορεί να γίνει πάντα· για παράδειγμα, σε ορισμένες περιπτώσεις περιστρεφόμενων μαύρων οπών, ο χώρος και ο χρόνος «γυρίζουν» μαζί και έτσι δεν μπορούν να διαχωριστούν σωστά. Ωστόσο, δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι το Σύμπαν μας μπορεί να περιστρέφεται με παρόμοιο τρόπο. Έτσι, μπορούμε εύκολα να κάνουμε την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος μπορεί να περιγραφεί ως ο χώρος αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
Η επόμενη σημαντική υπόθεση που προέρχεται από τη θεωρία του Big Bang είναι αυτή ο χώρος φαίνεται ο ίδιος προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και σε οποιοδήποτε σημείο. Η ιδιότητα του να φαίνεται το ίδιο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ονομάζεται ισοτροπία και η ιδιότητα του να φαίνεται το ίδιο σε οποιοδήποτε σημείο ονομάζεται ομοιογένεια. Υποθέτουμε λοιπόν ότι ο χώρος μας ομοιογενής και ισοτροπική. Οι κοσμολόγοι ονομάζουν αυτή την υπόθεση μέγιστη συμμετρία. Αυτό θεωρείται ότι είναι μια αρκετά λογική υπόθεση σε μεγάλες κλίμακες.
Όταν λύνουν τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη χωροχρονική γεωμετρία του Σύμπαντος μας, οι κοσμολόγοι εξετάζουν τρεις κύριους τύπους ενέργειας που μπορούν και κάμπτουν τον χωροχρόνο:
1. ενέργεια κενού
2. ακτινοβολία
3. συνηθισμένη ουσία
Η ακτινοβολία και η συνηθισμένη ύλη αντιμετωπίζονται ως ένα ομοιογενές αέριο που γεμίζει το Σύμπαν, με κάποια εξίσωση κατάστασης που σχετίζεται με την πίεση με την πυκνότητα.
Μόλις γίνουν οι υποθέσεις της ομοιογένειας των πηγών ενέργειας και της μέγιστης συμμετρίας, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν μπορούν να αναχθούν σε δύο διαφορικές εξισώσεις που μπορούν εύκολα να λυθούν χρησιμοποιώντας απλές μεθόδους υπολογισμού. Από τις λύσεις παίρνουμε δύο πράγματα: γεωμετρία του χώρουκαι μετά πώς αλλάζουν οι διαστάσεις του χώρου με την πάροδο του χρόνου.

Ανοιχτό, κλειστό ή επίπεδο;

Αν σε κάθε στιγμή του χρόνου ο χώρος σε κάθε σημείο φαίνεται ο ίδιος προς όλες τις κατευθύνσεις, τότε τέτοιος χώρος πρέπει να έχει σταθερή καμπυλότητα. Εάν η καμπυλότητα αλλάζει από σημείο σε σημείο, τότε ο χώρος θα φαίνεται διαφορετικός από διαφορετικά σημεία και σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Επομένως, εάν ο χώρος είναι μέγιστος συμμετρικός, τότε η καμπυλότητα σε όλα τα σημεία πρέπει να είναι ίδια.
Αυτή η απαίτηση περιορίζει κάπως τις πιθανές γεωμετρίες σε τρεις: χώρο με σταθερή θετική, αρνητική και μηδενική καμπυλότητα (επίπεδη). Στην περίπτωση που δεν υπάρχει ενέργεια κενού (όρος λάμδα), υπάρχει μόνο συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία, η καμπυλότητα, εκτός από οτιδήποτε άλλο, απαντά επίσης στην ερώτηση σχετικά με τον χρόνο εξέλιξης:
Θετική καμπυλότητα: Ένας Ν-διάστατος χώρος με σταθερή θετική καμπυλότητα είναι μια Ν-διάστατη σφαίρα. Ένα κοσμολογικό μοντέλο στο οποίο ο χώρος έχει σταθερή θετική καμπυλότητα ονομάζεται κλειστόκοσμολογικό μοντέλο. Σε αυτό το μοντέλο, ο χώρος διαστέλλεται από τον μηδενικό όγκο τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, στη συνέχεια κάποια στιγμή φτάνει στον μέγιστο όγκο του και αρχίζει να συστέλλεται μέχρι το Big Crunch.
Μηδενική καμπυλότητα: Ένα διάστημα με μηδενική καμπυλότητα ονομάζεται διαμέρισμαχώρος. Ένας τέτοιος επίπεδος χώρος δεν είναι συμπαγής, εκτείνεται άπειρα προς όλες τις κατευθύνσεις, όπως ακριβώς εκτείνεται μόνο Άνοιξεχώρος. Ένα τέτοιο Σύμπαν διαστέλλεται άπειρα στο χρόνο.
Αρνητική καμπυλότητα: Ένας Ν-διάστατος χώρος με σταθερή αρνητική καμπυλότητα είναι μια Ν-διάστατη ψευδόσφαιρα. Το μόνο πράγμα με το οποίο ένας τόσο μοναδικός κόσμος μπορεί να είναι λίγο-πολύ εξοικειωμένος είναι ένα υπερβολοειδές, το οποίο είναι μια δισδιάστατη υπερσφαίρα. Ένας χώρος με αρνητική καμπυλότητα έχει άπειρο όγκο. Σε ένα χώρο με αρνητική καμπυλότητα, πραγματοποιείται ΆνοιξεΣύμπαν. Αυτό, σαν ένα επίπεδο, επεκτείνεται άπειρα στο χρόνο.
Τι καθορίζει αν το Σύμπαν θα είναι ανοιχτό ή κλειστό; Για ένα κλειστό Σύμπαν, η συνολική ενεργειακή πυκνότητα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ενεργειακή πυκνότητα που αντιστοιχεί σε ένα επίπεδο Σύμπαν, το οποίο ονομάζεται κρίσιμη πυκνότητα. Ας το βάλουμε. Επειτα σε ένα κλειστό σύμπαν w είναι μεγαλύτερο από 1, σε ένα επίπεδο σύμπαν w=1 και μέσα ανοιχτό σύμπανΤο w είναι μικρότερο από 1.
Όλα τα παραπάνω ισχύουν μόνο στην περίπτωση που λαμβάνονται υπόψη μόνο συνήθεις τύποι ύλης - σκόνη και ακτινοβολία και παραμελούνται ενέργεια κενού, το οποίο μπορεί κάλλιστα να υπάρχει. Η πυκνότητα ενέργειας του κενού είναι σταθερή, που ονομάζεται επίσης κοσμολογική σταθερά.

Από πού προέρχεται η σκοτεινή ύλη;

Υπάρχει πολλή διαφορετική ύλη στο Σύμπαν, όπως αστέρια ή ζεστό αέριο ή κάτι άλλο, που εκπέμπει ορατό φως ή ακτινοβολία σε άλλα μήκη κύματος. Και όλα αυτά μπορεί να τα δει κανείς είτε με τα μάτια, είτε με τη βοήθεια τηλεσκοπίων, είτε με κάποια πολύπλοκα όργανα. Ωστόσο, αυτό δεν είναι το μόνο που υπάρχει στο Σύμπαν μας - τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν στοιχεία ότι υπάρχει πολλή αόρατη ύλη στο Σύμπαν.
Για παράδειγμα, αποδεικνύεται ότι η ορατή ύλη με τη μορφή άστρων και διαστρικού αερίου δεν είναι αρκετή για να διατηρήσει τους γαλαξίες βαρυτικούς δεσμούς. Οι εκτιμήσεις για το πόση ύλη χρειάζεται πραγματικά ο μέσος γαλαξίας για να μην πετάξει χώρια έχουν οδηγήσει φυσικούς και αστρονόμους στο συμπέρασμα ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν είναι αόρατο. Αυτή η ουσία ονομάζεται σκοτεινή ύληκαι είναι πολύ σημαντικό για την κοσμολογία.
Αφού υπάρχει σκοτεινή ύλη στο Σύμπαν, τι θα μπορούσε να είναι; Από τι μπορεί να «φτιαχτεί»; Εάν αποτελούνταν από κουάρκ, όπως η συνηθισμένη ύλη, τότε το πρώιμο Σύμπαν θα έπρεπε να είχε παραγάγει πολύ περισσότερο ήλιο και δευτέριο από ό,τι είναι τώρα στο Σύμπαν μας. Οι φυσικοί των σωματιδίων είναι της γνώμης ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από υπερσυμμετρικά σωματίδια, τα οποία είναι πολύ βαριά, αλλά αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με συνηθισμένα σωματίδια που παρατηρούνται τώρα στους επιταχυντές.
Υπάρχει, επομένως, πολύ λιγότερη ορατή ύλη στο Σύμπαν από ό,τι είναι απαραίτητο ακόμη και για ένα επίπεδο Σύμπαν. Επομένως, εάν δεν υπάρχει τίποτα άλλο στο Σύμπαν, τότε πρέπει να είναι ανοιχτό. Ωστόσο, υπάρχει αρκετή σκοτεινή ύλη για να «κλείσει» το Σύμπαν; Με άλλα λόγια, αν w B είναι η πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης και w D είναι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης, τότε ισχύει η σχέση w B + w D = 1; Μια μελέτη των κινήσεων στα σμήνη γαλαξιών δείχνει ότι η συνολική πυκνότητα είναι περίπου το 30% της κρίσιμης πυκνότητας, με την ορατή ύλη να αντιστοιχεί περίπου στο 5% και τη σκοτεινή ύλη το 25%.
Αλλά αυτό δεν είναι το τέλος - έχουμε ακόμα μια πηγή ενέργειας στο Σύμπαν - την κοσμολογική σταθερά.

Τι γίνεται με την κοσμολογική σταθερά;

Στον Αϊνστάιν δεν άρεσαν τα αποτελέσματα της δουλειάς του. Σύμφωνα με τις εξισώσεις κίνησης του, ένα Σύμπαν γεμάτο με συνηθισμένη ύλη θα πρέπει να διαστέλλεται. Αλλά ο Αϊνστάιν ήθελε μια θεωρία στην οποία το Σύμπαν θα παρέμενε πάντα στο ίδιο μέγεθος. Και για να το κάνει αυτό, πρόσθεσε έναν όρο στις εξισώσεις, που τώρα είναι γνωστός ως κοσμολογικός όρος, το οποίο, όταν προστεθεί στην ενεργειακή πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης και της ακτινοβολίας, επέτρεψε στο Σύμπαν να μην διαστέλλεται ποτέ και να μην συστέλλεται ποτέ, αλλά να παραμείνει το ίδιο για πάντα.
Ωστόσο, αφού το Hubble ανακάλυψε ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται, ο κοσμολογικός όρος του Αϊνστάιν ξεχάστηκε και «εγκαταλείφθηκε». Ωστόσο, μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το ενδιαφέρον για αυτό ξύπνησε από σχετικιστικές κβαντικές θεωρίες, στις οποίες η κοσμολογική σταθερά εμφανίζεται φυσικά δυναμικά από κβαντικές ταλαντώσεις εικονικών σωματιδίων και αντισωματιδίων. Αυτό ονομάζεται κβαντικό μηδενικό επίπεδο ενέργειας και είναι πολύ πιθανός υποψήφιος για αυτό ενέργεια κενούχωροχρόνος. Ωστόσο, η κβαντική θεωρία έχει τα δικά της «προβλήματα» - πώς να μην γίνει πολύ μεγάλη αυτή η ενέργεια του κενού, και αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους οι φυσικοί εξερευνούν τις υπερσυμμετρικές θεωρίες.
Η κοσμολογική σταθερά μπορεί είτε να επιταχύνει είτε να επιβραδύνει τη διαστολή του Σύμπαντος, ανάλογα με το αν είναι θετική ή αρνητική. Και όταν η κοσμολογική σταθερά προστίθεται στον χωροχρόνο εκτός από τη συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία, η εικόνα γίνεται πολύ πιο περίπλοκη από τις απλούστερες περιπτώσεις ενός ανοιχτού ή κλειστού Σύμπαντος που περιγράφηκαν παραπάνω.

Ποια είναι λοιπόν η απάντηση;

Σχεδόν αμέσως μετά το Big Bang, εποχή κυριαρχίας της ακτινοβολίας, που διήρκεσε τα πρώτα δέκα με εκατό χιλιάδες χρόνια της εξέλιξης του Σύμπαντος μας. Τώρα οι κυρίαρχες μορφές ύλης είναι η συνηθισμένη ύλη και η ενέργεια του κενού. Κρίνοντας από τις τελευταίες παρατηρήσεις των αστρονόμων,
1. Το Σύμπαν μας είναι επίπεδο με καλή ακρίβεια: Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων είναι ένα λείψανο που έχει απομείνει από μια εποχή που το Σύμπαν ήταν ζεστό και γέμιζε με καυτό αέριο φωτονίων. Από τότε, ωστόσο, λόγω της διαστολής του Σύμπαντος, αυτά τα φωτόνια έχουν ψυχθεί και τώρα η θερμοκρασία τους είναι 2,73 Κ. Ωστόσο, αυτή η ακτινοβολία είναι ελαφρώς ανομοιογενής· το γωνιακό μέγεθος των ανομοιογενειών τους, ορατό από την τρέχουσα θέση μας, εξαρτάται από τη χωρική καμπυλότητα του Σύμπαντος. Έτσι, οι παρατηρήσεις της ανισοτροπίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων δείχνουν ακριβώς ότι Το σύμπαν είναι επίπεδο.
2. Υπάρχει μια κοσμολογική σταθερά στο Σύμπαν: Υπάρχει ενέργεια κενού στο σύμπαν, ή τουλάχιστον κάτι που λειτουργεί ως ενέργεια κενού, η οποία αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Απόδειξη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος είναι δεδομένα για τις μετατοπίσεις στο κόκκινο των μακρινών σουπερνόβα.
3. Το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο Σύμπαν έχει τη μορφή της σκοτεινής ύλης: Η μελέτη της κίνησης των γαλαξιών οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η συνηθισμένη ύλη με τη μορφή αστεριών, γαλαξιών, πλανητών και διαστρικών αερίων αποτελεί μόνο ένα μικρό κλάσμα της συνολικής ύλης στο Σύμπαν.
Από τη σημερινή εποχή


Έτσι τώρα στο Σύμπαν η ενεργειακή πυκνότητα του κενού είναι υπερδιπλάσια από την ενεργειακή πυκνότητα της σκοτεινής ύλης, και ταυτόχρονα η συμβολή της βαρυονικής ορατής ύλης μπορεί απλά να παραμεληθεί. Έτσι το επίπεδο Σύμπαν μας θα πρέπει να επεκτείνεται για πάντα.

<< Πόσο χρονών είναι το Σύμπαν μας; | Πίνακας περιεχομένων | Περιήγηση στην Ιστορία του Σύμπαντος >>

Η επόμενη έκδοση της δομής του Σύμπαντος παρουσιάστηκε από τον φυσικό Frank Steiner από το Πανεπιστήμιο του Ulm, ο οποίος, μαζί με τους συναδέλφους του, ανέλυσε εκ νέου τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον διαστημικό ανιχνευτή μικροκυμάτων Wilkinson Anisotropy Probe (WMAP), ο οποίος κάποτε ήταν ξεκίνησε για λεπτομερή φωτογράφηση της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου.

Ωστόσο, μην βιαστείτε να μιλήσετε για τις άκρες του Σύμπαντος. Το γεγονός είναι ότι αυτό το πολύεδρο είναι κλειστό στον εαυτό του, δηλαδή, έχοντας φτάσει σε μία από τις όψεις του, απλά θα επιστρέψετε μέσα από την αντίθετη πλευρά αυτού του πολυδιάστατου "βρόχου Möbius".

Από αυτή την παρουσίαση προκύπτουν ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Για παράδειγμα, ότι πετώντας σε έναν πύραυλο «υψηλής ταχύτητας» σε ευθεία γραμμή, μπορείτε τελικά να επιστρέψετε στο σημείο εκκίνησης ή, εάν πάρετε ένα «πολύ μεγάλο» τηλεσκόπιο, μπορείτε να δείτε τα ίδια αντικείμενα σε διαφορετικές κατευθύνσεις χώρο, μόνο λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός - σε διαφορετικά στάδια της ζωής.

Οι επιστήμονες προσπάθησαν να κάνουν τέτοιες παρατηρήσεις, αλλά δεν βρέθηκε τίποτα παρόμοιο με τις «αντανακλάσεις καθρέφτη». Είτε επειδή το μοντέλο είναι λανθασμένο, είτε επειδή το «εύρος» της σύγχρονης παρατηρητικής αστρονομίας δεν είναι αρκετό. Παρόλα αυτά, η συζήτηση για το σχήμα και το μέγεθος του Σύμπαντος συνεχίζεται.

Τώρα ο Στάινερ και οι σύντροφοί του έχουν προσθέσει νέα ξύλα στη φωτιά.

Το Planck ζυγίζει περίπου δύο τόνους. Θα πρέπει να κάνει κρουαζιέρα γύρω από το σημείο Lagrange L2. Καθώς ο δορυφόρος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, θα καταγράφει σταδιακά έναν πλήρη χάρτη του μικροκυματικού φόντου με πρωτοφανή ακρίβεια και ευαισθησία (εικόνες από ESA/AOES Medialab και ESA/C. Carreau).

Ο Γερμανός φυσικός συνέταξε διάφορα μοντέλα του Σύμπαντος και έλεγξε πώς σχηματίζονται σε αυτά τα κύματα πυκνότητας υποβάθρου μικροκυμάτων. Ισχυρίζεται ότι το πλησιέστερο ταίριασμα με την παρατηρούμενη κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων παρέχεται από το σύμπαν των ντόνατ, και μάλιστα υπολόγισε τη διάμετρό του. Το «ντόνατ» αποδείχθηκε ότι είχε διάμετρο 56 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Είναι αλήθεια ότι αυτός ο τόρος δεν είναι αρκετά συνηθισμένος. Οι επιστήμονες το αποκαλούν 3-torus. Η πραγματική του μορφή είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς, αλλά οι ερευνητές εξηγούν πώς να προσπαθήσουμε τουλάχιστον.

Αρχικά, φανταστείτε πώς σχηματίζεται ένα κανονικό "ντόνατ". Παίρνεις ένα χαρτί και το τυλίγεις σε σωλήνα κολλώντας δύο απέναντι άκρες μεταξύ τους. Στη συνέχεια, κυλάτε τον σωλήνα σε έναν τόρο, κολλώντας τις δύο αντίθετες «εξόδους» του μεταξύ τους.

Με ένα 3-torus, όλα είναι ίδια, εκτός από το ότι το αρχικό συστατικό δεν είναι ένα φύλλο, αλλά ένας κύβος και πρέπει να κολλήσετε όχι τις άκρες των αεροπλάνων, αλλά κάθε ζευγάρι αντίθετων όψεων. Επιπλέον, κολλήστε το με τέτοιο τρόπο ώστε, έχοντας αφήσει τον κύβο από μια όψη του, να διαπιστώσετε ότι μπήκατε πάλι μέσα από την αντίθετη όψη του.

Αρκετοί ειδικοί που σχολίασαν το έργο του Στάινερ σημείωσαν ότι δεν αποδεικνύει οριστικά ότι το Σύμπαν είναι ένα «πολυδιάστατο ντόνατ», αλλά μόνο ότι αυτό το σχήμα είναι ένα από τα πιο πιθανά. Μερικοί επιστήμονες προσθέτουν επίσης ότι το δωδεκάεδρο (το οποίο συχνά συγκρίνεται με μπάλα ποδοσφαίρου, αν και αυτό είναι λάθος) εξακολουθεί να είναι «καλός υποψήφιος».

Η απάντηση του Frank σε αυτό είναι απλή: η τελική επιλογή μεταξύ των μορφών μπορεί να γίνει μετά από πιο ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου από αυτές που πραγματοποιούνται από το WMAP. Και μια τέτοια έρευνα θα πραγματοποιηθεί σύντομα από τον ευρωπαϊκό δορυφόρο Planck, ο οποίος έχει προγραμματιστεί να εκτοξευτεί στις 31 Οκτωβρίου 2008.

«Από φιλοσοφική άποψη, μου αρέσει η ιδέα ότι το Σύμπαν είναι πεπερασμένο και μια μέρα ίσως μπορέσουμε να το εξερευνήσουμε πλήρως και να γνωρίζουμε τα πάντα γι' αυτό. Αλλά επειδή οι ερωτήσεις στη φυσική δεν μπορούν να λυθούν με τη φιλοσοφία, ελπίζω ότι ο Planck θα τις απαντήσει», λέει ο Steiner.

Στην αρχαιότητα, οι άνθρωποι νόμιζαν ότι η γη ήταν επίπεδη και στέκονταν πάνω σε τρεις φάλαινες, τότε αποδείχθηκε ότι η οικουμένη μας είναι στρογγυλή και αν πλέετε όλη την ώρα προς τα δυτικά, τότε μετά από λίγο θα επιστρέψετε στην αφετηρία σας από το Ανατολή. Οι απόψεις του Σύμπαντος άλλαξαν με παρόμοιο τρόπο. Κάποτε, ο Νεύτωνας πίστευε ότι ο χώρος ήταν επίπεδος και άπειρος. Ο Αϊνστάιν επέτρεψε στον Κόσμο μας να είναι όχι μόνο απεριόριστος και στραβός, αλλά και κλειστός. Τα τελευταία δεδομένα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της μελέτης της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου δείχνουν ότι το Σύμπαν μπορεί κάλλιστα να είναι κλειστό στον εαυτό του. Αποδεικνύεται ότι εάν πετάτε μακριά από τη γη όλη την ώρα, τότε κάποια στιγμή θα αρχίσετε να την πλησιάζετε και τελικά θα επιστρέψετε πίσω, περιστρέφοντας ολόκληρο το Σύμπαν και ταξιδεύοντας σε όλο τον κόσμο, όπως ένα από τα πλοία του Μαγγελάνου, έχοντας κάνει κύκλους ολόκληρο τον κόσμο, έπλευσε στο ισπανικό λιμάνι Sanlúcar de Barrameda.

Η υπόθεση ότι το Σύμπαν μας γεννήθηκε ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης θεωρείται πλέον γενικά αποδεκτή. Το θέμα ήταν αρχικά πολύ ζεστό, πυκνό και επεκτάθηκε γρήγορα. Τότε η θερμοκρασία του Σύμπαντος έπεσε σε αρκετές χιλιάδες βαθμούς. Η ουσία εκείνη τη στιγμή αποτελούνταν από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου), δηλαδή ήταν ένα εξαιρετικά ιονισμένο αέριο - πλάσμα, αδιαφανές στο φως και τυχόν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ο ανασυνδυασμός (συνδυασμός) πυρήνων και ηλεκτρονίων που ξεκίνησε αυτή την εποχή, δηλαδή ο σχηματισμός ουδέτερων ατόμων υδρογόνου και ηλίου, άλλαξε ριζικά τις οπτικές ιδιότητες του Σύμπαντος. Έγινε διαφανές στα περισσότερα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Έτσι, μελετώντας το φως και τα ραδιοκύματα, μπορεί κανείς να δει μόνο τι συνέβη μετά τον ανασυνδυασμό, και ό,τι συνέβη πριν καλύπτεται από ένα είδος «τοίχου φωτιάς» ιονισμένης ύλης. Μπορούμε να κοιτάξουμε πολύ βαθύτερα στην ιστορία του Σύμπαντος μόνο αν μάθουμε να καταγράφουμε λείψανα νετρίνα, για τα οποία η καυτή ύλη έγινε διαφανής πολύ νωρίτερα, και τα πρωτεύοντα βαρυτικά κύματα, για τα οποία η ύλη οποιασδήποτε πυκνότητας δεν αποτελεί εμπόδιο, αλλά αυτό είναι θέμα το μέλλον, και μακριά από αυτό, το πιο κοντινό.

Από το σχηματισμό των ουδέτερων ατόμων, το Σύμπαν μας έχει διασταλεί περίπου 1.000 φορές και η ακτινοβολία από την εποχή του ανασυνδυασμού παρατηρείται σήμερα στη Γη ως λείψανο μικροκυμάτων με θερμοκρασία περίπου τριών βαθμών Κέλβιν. Αυτό το υπόβαθρο, που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1965 κατά τη διάρκεια δοκιμών μιας μεγάλης κεραίας ραδιοφώνου, είναι ουσιαστικά το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Σύμφωνα με τα σύγχρονα δεδομένα, υπάρχουν εκατό εκατομμύρια φορές περισσότερα υπολείμματα φωτονίων από τα άτομα, επομένως ο κόσμος μας απλώς λούζεται σε ρεύματα έντονα κοκκινισμένου φωτός που εκπέμπονται στα πρώτα κιόλας λεπτά της ζωής του Σύμπαντος.

Κλασική τοπολογία του χώρου

Σε κλίμακες μεγαλύτερες από 100 megaparsec, το τμήμα του Σύμπαντος που είναι ορατό σε εμάς είναι αρκετά ομοιογενές. Όλες οι πυκνές συστάδες ύλης - οι γαλαξίες, τα σμήνη και τα υπερσμήνη τους - παρατηρούνται μόνο σε μικρότερες αποστάσεις. Επιπλέον, το Σύμπαν είναι επίσης ισότροπο, δηλαδή οι ιδιότητές του είναι ίδιες σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτά τα πειραματικά γεγονότα αποτελούν τη βάση όλων των κλασικών κοσμολογικών μοντέλων, τα οποία προϋποθέτουν σφαιρική συμμετρία και χωρική ομοιογένεια της κατανομής της ύλης.

Οι κλασικές κοσμολογικές λύσεις στις εξισώσεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας (GTR) του Αϊνστάιν, που βρέθηκαν το 1922 από τον Alexander Friedman, έχουν την απλούστερη τοπολογία. Τα χωρικά τους τμήματα μοιάζουν με επίπεδα (για άπειρες λύσεις) ή σφαίρες (για περιορισμένες λύσεις). Αλλά τέτοια σύμπαντα, όπως αποδεικνύεται, έχουν μια εναλλακτική: ένα σύμπαν πεπερασμένου όγκου που δεν έχει άκρες ή όρια, κλειστό στον εαυτό του.

Οι πρώτες λύσεις που βρήκε ο Φρίντμαν περιέγραφαν σύμπαντα γεμάτα μόνο με έναν τύπο ύλης. Διαφορετικές εικόνες προέκυψαν λόγω των διαφορών στη μέση πυκνότητα της ύλης: εάν ξεπερνούσε ένα κρίσιμο επίπεδο, αποκτήθηκε ένα κλειστό σύμπαν με θετική χωρική καμπυλότητα, πεπερασμένες διαστάσεις και διάρκεια ζωής. Η διαστολή του σταδιακά επιβραδύνθηκε, σταμάτησε και αντικαταστάθηκε από συμπίεση σε ένα σημείο. Το Σύμπαν με πυκνότητα κάτω από την κρίσιμη είχε αρνητική καμπυλότητα και επεκτεινόταν απεριόριστα, ο ρυθμός του πληθωρισμού του έτεινε σε κάποια σταθερή τιμή. Αυτό το μοντέλο ονομάζεται ανοιχτό. Το επίπεδο Σύμπαν, μια ενδιάμεση περίπτωση με πυκνότητα ακριβώς ίση με την κρίσιμη, είναι άπειρο και τα στιγμιαία χωρικά του τμήματα είναι επίπεδος Ευκλείδειος χώρος με μηδενική καμπυλότητα. Ένα επίπεδο, όπως και ένα ανοιχτό, διαστέλλεται απεριόριστα, αλλά η ταχύτητα της διαστολής του τείνει στο μηδέν. Αργότερα, επινοήθηκαν πιο πολύπλοκα μοντέλα στα οποία ένα ομοιογενές και ισότροπο σύμπαν ήταν γεμάτο με πολυσυστατική ύλη που άλλαξε με την πάροδο του χρόνου.

Οι σύγχρονες παρατηρήσεις δείχνουν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται τώρα με επιταχυνόμενο ρυθμό (βλ. «Πέρα από τον Ορίζοντα των Συμπαντικών Γεγονότων», Νο. 3, 2006). Αυτή η συμπεριφορά είναι δυνατή εάν ο χώρος είναι γεμάτος με κάποια ουσία (συχνά αποκαλούμενη σκοτεινή ενέργεια) με υψηλή αρνητική πίεση, κοντά στην ενεργειακή πυκνότητα αυτής της ουσίας. Αυτή η ιδιότητα της σκοτεινής ενέργειας οδηγεί στην εμφάνιση ενός είδους αντιβαρύτητας, που υπερνικά τις βαρυτικές δυνάμεις της συνηθισμένης ύλης σε μεγάλες κλίμακες. Το πρώτο τέτοιο μοντέλο (με τον λεγόμενο όρο λάμδα) προτάθηκε από τον ίδιο τον Άλμπερτ Αϊνστάιν.

Ένας ειδικός τρόπος διαστολής του Σύμπαντος προκύπτει εάν η πίεση αυτής της ύλης δεν παραμένει σταθερή, αλλά αυξάνεται με το χρόνο. Σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση του μεγέθους αυξάνεται τόσο γρήγορα που το Σύμπαν γίνεται άπειρο σε έναν πεπερασμένο χρόνο. Ένα τέτοιο απότομο φούσκωμα χωρικών διαστάσεων, που συνοδεύεται από την καταστροφή όλων των υλικών αντικειμένων, από τους γαλαξίες έως τα στοιχειώδη σωματίδια, ονομάζεται Big Rip.

Όλα αυτά τα μοντέλα δεν προσλαμβάνουν ιδιαίτερες τοπολογικές ιδιότητες του Σύμπαντος και το παρουσιάζουν σαν παρόμοιο με τον γνωστό μας χώρο. Αυτή η εικόνα συμφωνεί καλά με τα δεδομένα που λαμβάνουν οι αστρονόμοι χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια που καταγράφουν την υπέρυθρη, την ορατή, την υπεριώδη ακτινοβολία και τις ακτίνες Χ. Και μόνο τα δεδομένα ραδιοπαρατήρησης, δηλαδή μια λεπτομερής μελέτη του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, έκαναν τους επιστήμονες να αμφιβάλλουν ότι ο κόσμος μας είναι δομημένος τόσο ξεκάθαρα.

Οι επιστήμονες δεν θα μπορέσουν να κοιτάξουν πέρα ​​από το «τείχος της φωτιάς» που μας χωρίζει από τα γεγονότα των πρώτων χιλιάδων χρόνων της ζωής του Σύμπαντος μας. Αλλά με τη βοήθεια εργαστηρίων που εκτοξεύτηκαν στο διάστημα, κάθε χρόνο μαθαίνουμε όλο και περισσότερα για το τι συνέβη μετά τη μετατροπή του θερμού πλάσματος σε θερμό αέριο

Τροχιακός ραδιοφωνικός δέκτης

Τα πρώτα αποτελέσματα που ελήφθησαν από το διαστημικό παρατηρητήριο WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), το οποίο μέτρησε την ισχύ της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, δημοσιεύθηκαν τον Ιανουάριο του 2003 και περιείχαν τόσες πολλές πολυαναμενόμενες πληροφορίες που η κατανόησή του δεν έχει ολοκληρωθεί σήμερα. Η φυσική χρησιμοποιείται συνήθως για να εξηγήσει νέα κοσμολογικά δεδομένα: εξισώσεις κατάστασης της ύλης, νόμους διαστολής και φάσματα αρχικών διαταραχών. Αλλά αυτή τη φορά η φύση της ανιχνευθείσας γωνιακής ανομοιογένειας της ακτινοβολίας απαιτούσε μια εντελώς διαφορετική εξήγηση - μια γεωμετρική. Πιο συγκεκριμένα, τοπολογικά.

Ο κύριος στόχος του WMAP ήταν η κατασκευή ενός λεπτομερούς χάρτη της θερμοκρασίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων (ή, όπως ονομάζεται επίσης, του μικροκυματικού υποβάθρου). Το WMAP είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος ραδιοφωνικός δέκτης που ανιχνεύει ταυτόχρονα σήματα που προέρχονται από δύο σχεδόν διαμετρικά αντίθετα σημεία στον ουρανό. Το αστεροσκοπείο εκτοξεύτηκε τον Ιούνιο του 2001 σε μια ιδιαίτερα ήρεμη και «ήσυχη» τροχιά, που βρίσκεται στο λεγόμενο σημείο Lagrangian L2, ενάμισι εκατομμύριο χιλιόμετρα από τη Γη. Αυτός ο δορυφόρος των 840 κιλών βρίσκεται στην πραγματικότητα σε τροχιά γύρω από τον ήλιο, αλλά χάρη στη συνδυασμένη δράση των βαρυτικών πεδίων της Γης και του Ήλιου, η περίοδος τροχιάς του είναι ακριβώς ένα έτος και δεν πετάει μακριά από τη Γη. Ο δορυφόρος εκτοξεύτηκε σε μια τόσο μακρινή τροχιά, έτσι ώστε η παρέμβαση από τη γήινη ανθρωπογενή δραστηριότητα να μην παρεμβαίνει στη λήψη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου.

Με βάση τα δεδομένα που ελήφθησαν από το διαστημικό ραδιοπαρατηρητήριο, ήταν δυνατό να προσδιοριστεί ένας τεράστιος αριθμός κοσμολογικών παραμέτρων με πρωτοφανή ακρίβεια. Πρώτον, ο λόγος της συνολικής πυκνότητας του Σύμπαντος προς την κρίσιμη πυκνότητα είναι 1,02±0,02 (δηλαδή, το Σύμπαν μας είναι επίπεδο ή κλειστό με πολύ μικρή καμπυλότητα). Δεύτερον, η σταθερά Hubble, που χαρακτηρίζει την επέκταση του Κόσμου μας σε μεγάλες κλίμακες, 72±2 km/s/Mpc. Τρίτον, η ηλικία του Σύμπαντος είναι 13,4 ± 0,3 δισεκατομμύρια χρόνια και η μετατόπιση του κόκκινου που αντιστοιχεί στον χρόνο ανασυνδυασμού είναι 1088 ± 2 (αυτή είναι η μέση τιμή, το πάχος του ορίου ανασυνδυασμού είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το υποδεικνυόμενο σφάλμα). Το πιο εντυπωσιακό αποτέλεσμα για τους θεωρητικούς ήταν το γωνιακό φάσμα των διαταραχών της υπολειμματικής ακτινοβολίας, ή πιο συγκεκριμένα, η τιμή της δεύτερης και της τρίτης αρμονικής ήταν πολύ μικρή.

Ένα τέτοιο φάσμα κατασκευάζεται με την αναπαράσταση του χάρτη θερμοκρασίας ως άθροισμα διαφόρων σφαιρικών αρμονικών (πολλαπλών). Σε αυτή την περίπτωση, από τη γενική εικόνα των διαταραχών, απομονώνονται μεταβλητά στοιχεία που ταιριάζουν στη σφαίρα ακέραιο αριθμό φορών: τετράπολος 2 φορές, οκτάπολος 3 φορές κ.ο.κ. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός της σφαιρικής αρμονικής, τόσο περισσότερες ταλαντώσεις φόντου υψηλής συχνότητας περιγράφει και τόσο μικρότερο είναι το γωνιακό μέγεθος των αντίστοιχων «σημείων». Θεωρητικά, ο αριθμός των σφαιρικών αρμονικών είναι άπειρος, αλλά για έναν πραγματικό χάρτη παρατήρησης περιορίζεται από τη γωνιακή ανάλυση με την οποία έγιναν οι παρατηρήσεις.

Για να μετρηθούν σωστά όλες οι σφαιρικές αρμονικές, χρειάζεται ένας χάρτης ολόκληρης της ουράνιας σφαίρας και το WMAP λαμβάνει την επαληθευμένη έκδοσή του μέσα σε ένα χρόνο. Οι πρώτοι τέτοιοι όχι πολύ λεπτομερείς χάρτες ελήφθησαν το 1992 στα πειράματα Relic και COBE (Cosmic Background Explorer).

Πώς μοιάζει ένα κουλούρι με ένα φλιτζάνι καφέ;
Υπάρχει ένας κλάδος των μαθηματικών - τοπολογίας, που μελετά τις ιδιότητες των σωμάτων που διατηρούνται κάτω από οποιαδήποτε παραμόρφωση χωρίς σπασίματα ή κόλληση. Φανταστείτε ότι το γεωμετρικό σώμα που μας ενδιαφέρει είναι εύκαμπτο και παραμορφώνεται εύκολα. Σε αυτήν την περίπτωση, για παράδειγμα, ένας κύβος ή μια πυραμίδα μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε σφαίρα ή μπουκάλι, ένας τόρος («ντόνατ») σε φλιτζάνι καφέ με λαβή, αλλά δεν θα είναι δυνατό να μετατραπεί μια σφαίρα σε κύπελλο με λαβή αν δεν σκίσετε και κολλήσετε αυτό το σώμα που παραμορφώνεται εύκολα. Για να χωρίσετε μια σφαίρα σε δύο ασύνδετα κομμάτια, αρκεί να κάνετε ένα κλειστό κόψιμο, αλλά το ίδιο μπορείτε να κάνετε και με έναν δακτύλιο μόνο κάνοντας δύο κοψίματα. Οι τοπολόγοι απλώς αγαπούν όλα τα είδη εξωτικών κατασκευών, όπως ένας επίπεδος τόρος, μια κερασφόρος σφαίρα ή ένα μπουκάλι Klein, που μπορούν να απεικονιστούν σωστά μόνο σε ένα χώρο με διπλάσιο αριθμό διαστάσεων. Ομοίως, το τρισδιάστατο Σύμπαν μας, κλειστό στον εαυτό του, μπορεί εύκολα να το φανταστεί κανείς μόνο ζώντας σε εξαδιάστατο χώρο. Για λίγο, οι κοσμικοί τοπολόγοι δεν έχουν καταπατήσει ακόμα, αφήνοντάς του την ευκαιρία να ρέει απλά γραμμικά, χωρίς να είναι κλειδωμένοι σε τίποτα. Έτσι, η ικανότητα εργασίας στον χώρο των επτά διαστάσεων σήμερα είναι αρκετά αρκετή για να κατανοήσουμε πόσο πολύπλοκο είναι δομημένο το δωδεκαεδρικό μας Σύμπαν.

Ο τελικός χάρτης θερμοκρασίας CMB είναι κατασκευασμένος από επίπονη ανάλυση χαρτών που δείχνουν την ένταση της ραδιοεκπομπής σε πέντε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων

Απροσδόκητη απόφαση

Για τις περισσότερες σφαιρικές αρμονικές, τα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν συνέπεσαν με τους υπολογισμούς του μοντέλου. Μόνο δύο αρμονικές, τετράπολοι και οκτάπολοι, ήταν σαφώς κάτω από το επίπεδο που περίμεναν οι θεωρητικοί. Επιπλέον, η πιθανότητα να προκύψουν τυχαία τέτοιες μεγάλες αποκλίσεις είναι εξαιρετικά μικρή. Η καταστολή του τετραπόλου και του οκταπόλου σημειώθηκε στα δεδομένα COBE. Ωστόσο, οι χάρτες που αποκτήθηκαν εκείνα τα χρόνια είχαν κακή ανάλυση και μεγάλο θόρυβο, επομένως η συζήτηση αυτού του θέματος αναβλήθηκε για καλύτερες εποχές. Για ποιον λόγο τα πλάτη των δύο μεγαλύτερης κλίμακας διακυμάνσεις στην ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων αποδείχθηκαν τόσο μικρά ήταν εντελώς ασαφές στην αρχή. Δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί ένας φυσικός μηχανισμός για την καταστολή τους, αφού πρέπει να δράσει στην κλίμακα ολόκληρου του Σύμπαντος που παρατηρούμε, καθιστώντας το πιο ομοιογενές και ταυτόχρονα να σταματήσει να λειτουργεί σε μικρότερες κλίμακες, επιτρέποντάς του να κυμαίνονται πιο έντονα. Μάλλον γι' αυτό άρχισαν να αναζητούν εναλλακτικά μονοπάτια και βρήκαν μια τοπολογική απάντηση στο ερώτημα που προέκυψε. Η μαθηματική λύση στο φυσικό πρόβλημα αποδείχτηκε εκπληκτικά κομψή και απροσδόκητη: ήταν αρκετό να υποθέσουμε ότι το Σύμπαν είναι ένα δωδεκάεδρο κλειστό στον εαυτό του. Στη συνέχεια, η καταστολή των αρμονικών χαμηλής συχνότητας μπορεί να εξηγηθεί από τη χωρική διαμόρφωση υψηλής συχνότητας της ακτινοβολίας υποβάθρου. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω επαναλαμβανόμενης παρατήρησης της ίδιας περιοχής ανασυνδυασμού του πλάσματος μέσω διαφορετικών τμημάτων ενός κλειστού δωδεκαεδρικού χώρου. Αποδεικνύεται ότι οι χαμηλές αρμονικές φαίνεται να ακυρώνονται λόγω της διέλευσης του ραδιοφωνικού σήματος από διαφορετικές όψεις του Σύμπαντος. Σε ένα τέτοιο τοπολογικό μοντέλο του κόσμου, τα γεγονότα που συμβαίνουν κοντά σε μία από τις όψεις του δωδεκάεδρου αποδεικνύονται κοντά στην αντίθετη όψη, αφού αυτές οι περιοχές είναι πανομοιότυπες και στην πραγματικότητα είναι ένα και το αυτό μέρος του Σύμπαντος. Εξαιτίας αυτού, το λείψανο φως που έρχεται στη Γη από διαμετρικά αντίθετες πλευρές αποδεικνύεται ότι εκπέμπεται από την ίδια περιοχή του πρωτογενούς πλάσματος. Αυτή η περίσταση οδηγεί στην καταστολή των κατώτερων αρμονικών του φάσματος CMB ακόμη και σε ένα Σύμπαν ελαφρώς μεγαλύτερο σε μέγεθος από τον ορατό ορίζοντα γεγονότων.

Χάρτης ανισοτροπίας
Το τετράπολο που αναφέρεται στο κείμενο του άρθρου δεν είναι η κατώτερη σφαιρική αρμονική. Εκτός από αυτό, υπάρχουν ένα μονόπολο (μηδενική αρμονική) και ένα δίπολο (πρώτη αρμονική). Το μέγεθος του μονοπόλου καθορίζεται από τη μέση θερμοκρασία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, η οποία σήμερα είναι 2,728 K. Αφού αφαιρεθεί από το γενικό υπόβαθρο, η μεγαλύτερη είναι η συνιστώσα του διπόλου, η οποία δείχνει πόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία σε ένα από τα ημισφαίρια του χώρου που μας περιβάλλει είναι από ότι στο άλλο. Η παρουσία αυτού του συστατικού προκαλείται κυρίως από την κίνηση της Γης και του Γαλαξία σε σχέση με το λείψανο υπόβαθρο. Λόγω του φαινομένου Doppler, η θερμοκρασία στην κατεύθυνση της κίνησης αυξάνεται και προς την αντίθετη κατεύθυνση μειώνεται. Αυτή η περίσταση θα καταστήσει δυνατό τον προσδιορισμό της ταχύτητας οποιουδήποτε αντικειμένου σε σχέση με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων και έτσι θα εισαγάγει το πολυαναμενόμενο απόλυτο σύστημα συντεταγμένων, τοπικά σε ηρεμία σε σχέση με ολόκληρο το Σύμπαν.

Το μέγεθος της ανισοτροπίας του διπόλου που σχετίζεται με την κίνηση της Γης είναι 3,353*10-3 Κ. Αυτό αντιστοιχεί στην κίνηση του Ήλιου σε σχέση με το υπόβαθρο CMB με ταχύτητα περίπου 400 km/s. Ταυτόχρονα, «πετάμε» προς την κατεύθυνση των συνόρων των αστερισμών Λέων και Δισκοπότηρου και «πετάμε μακριά» από τον αστερισμό του Υδροχόου. Ο Γαλαξίας μας, μαζί με την τοπική ομάδα γαλαξιών στην οποία ανήκει, κινείται σε σχέση με το λείψανο με ταχύτητα περίπου 600 km/s.

Όλες οι άλλες διαταραχές (από τον τετράπολο και πάνω) στον χάρτη φόντου προκαλούνται από ανομοιογένειες στην πυκνότητα, τη θερμοκρασία και την ταχύτητα της ύλης στο όριο του ανασυνδυασμού, καθώς και από τη ραδιοεκπομπή του Γαλαξία μας. Μετά την αφαίρεση της συνιστώσας του διπόλου, το συνολικό πλάτος όλων των άλλων αποκλίσεων αποδεικνύεται ότι είναι μόνο 18 * 10-6 Κ. Για να αποκλειστεί η ακτινοβολία του Γαλαξία (κυρίως συγκεντρωμένη στο επίπεδο του γαλαξιακού ισημερινού), οι παρατηρήσεις του μικροκυματικού υποβάθρου είναι πραγματοποιείται σε πέντε ζώνες συχνοτήτων στην περιοχή από 22,8 GHz έως 93 ,5 GHz.

Συνδυασμοί με τόρο

Το απλούστερο σώμα με τοπολογία πιο σύνθετη από μια σφαίρα ή ένα επίπεδο είναι ένας τόρος. Όποιος έχει κρατήσει ένα κουλούρι στα χέρια του μπορεί να το φανταστεί. Ένα άλλο πιο σωστό μαθηματικό μοντέλο ενός επίπεδου τόρου αποδεικνύεται από τις οθόνες ορισμένων παιχνιδιών υπολογιστή: είναι ένα τετράγωνο ή ορθογώνιο, του οποίου οι αντίθετες πλευρές προσδιορίζονται και αν ένα κινούμενο αντικείμενο κατεβαίνει, εμφανίζεται από πάνω. διασχίζοντας το αριστερό περίγραμμα της οθόνης, εμφανίζεται πίσω από το δεξί και αντίστροφα. Ένας τέτοιος τόρος είναι το απλούστερο παράδειγμα ενός κόσμου με μια μη τετριμμένη τοπολογία, που έχει πεπερασμένο όγκο και δεν έχει όρια.

Στον τρισδιάστατο χώρο, μια παρόμοια διαδικασία μπορεί να γίνει με έναν κύβο. Αν εντοπίσουμε τις αντίθετες όψεις του, σχηματίζεται ένας τρισδιάστατος τόρος. Αν κοιτάξετε από το εσωτερικό ενός τέτοιου κύβου στον περιβάλλοντα χώρο, μπορείτε να δείτε έναν άπειρο κόσμο, που αποτελείται από αντίγραφα του μοναδικού και μοναδικού (μη επαναλαμβανόμενου) μέρους του, ο όγκος του οποίου είναι εντελώς πεπερασμένος. Σε έναν τέτοιο κόσμο δεν υπάρχουν όρια, αλλά υπάρχουν τρεις διακριτές κατευθύνσεις παράλληλες με τις άκρες του αρχικού κύβου, κατά μήκος των οποίων παρατηρούνται περιοδικές σειρές από πρωτότυπα αντικείμενα. Αυτή η εικόνα μοιάζει πολύ με αυτό που μπορεί να δει κανείς μέσα σε έναν κύβο με τοίχους με καθρέφτη. Είναι αλήθεια ότι κοιτάζοντας οποιοδήποτε από τα πρόσωπά του, ένας κάτοικος ενός τέτοιου κόσμου θα δει το πίσω μέρος του κεφαλιού του και όχι το πρόσωπό του, όπως σε ένα επίγειο funhouse. Ένα πιο σωστό μοντέλο θα ήταν ένα δωμάτιο εξοπλισμένο με 6 τηλεοπτικές κάμερες και 6 επίπεδες οθόνες LCD, στις οποίες εμφανίζεται η εικόνα που τραβήχτηκε από την κινηματογραφική κάμερα που βρίσκεται απέναντι. Σε αυτό το μοντέλο, ο ορατός κόσμος κλείνει μόνος του χάρη στην πρόσβαση σε μια άλλη τηλεοπτική διάσταση.

Η εικόνα της καταστολής των αρμονικών χαμηλής συχνότητας που περιγράφεται παραπάνω είναι σωστή εάν ο χρόνος που χρειάζεται για να διασχίσει το φως τον αρχικό όγκο είναι αρκετά μικρός, δηλαδή εάν οι διαστάσεις του αρχικού σώματος είναι μικρές σε σύγκριση με τις κοσμολογικές κλίμακες. Εάν οι διαστάσεις του παρατηρήσιμου μέρους του Σύμπαντος (ο λεγόμενος ορίζοντας του Σύμπαντος) αποδειχθούν μικρότερες από τις διαστάσεις του αρχικού τοπολογικού όγκου, τότε η κατάσταση δεν θα διαφέρει από αυτό που θα δούμε στο συνηθισμένο άπειρο Σύμπαν Αϊνστάιν, και δεν θα παρατηρηθούν ανωμαλίες στο φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων.

Η μέγιστη δυνατή χωρική κλίμακα σε έναν τέτοιο κυβικό κόσμο καθορίζεται από τις διαστάσεις του αρχικού σώματος· η απόσταση μεταξύ οποιωνδήποτε δύο σωμάτων δεν μπορεί να υπερβαίνει τη μισή κύρια διαγώνιο του αρχικού κύβου. Το φως που έρχεται σε εμάς από το όριο του ανασυνδυασμού μπορεί να διασχίσει τον αρχικό κύβο αρκετές φορές στην πορεία, σαν να αντανακλάται στα τοιχώματα του καθρέφτη του, εξαιτίας αυτού η γωνιακή δομή της ακτινοβολίας παραμορφώνεται και οι διακυμάνσεις χαμηλής συχνότητας γίνονται υψηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, όσο μικρότερος είναι ο αρχικός όγκος, τόσο ισχυρότερη είναι η καταστολή των χαμηλότερων γωνιακών διακυμάνσεων μεγάλης κλίμακας, πράγμα που σημαίνει ότι μελετώντας το CMB, μπορούμε να εκτιμήσουμε το μέγεθος του Σύμπαντος μας.

3D μωσαϊκά

Ένα επίπεδο τοπολογικά πολύπλοκο τρισδιάστατο Σύμπαν μπορεί να κατασκευαστεί μόνο με βάση κύβους, παραλληλεπίπεδα και εξαγωνικά πρίσματα. Στην περίπτωση του καμπυλωμένου χώρου, μια ευρύτερη κατηγορία μορφών έχει τέτοιες ιδιότητες. Ταυτόχρονα, τα καλύτερα γωνιακά φάσματα που ελήφθησαν στο πείραμα WMAP είναι σύμφωνα με ένα μοντέλο του Σύμπαντος που έχει σχήμα δωδεκάεδρου. Αυτό το κανονικό πολύεδρο, που έχει 12 πενταγωνικές όψεις, μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου ραμμένη από πενταγωνικά μπαλώματα. Αποδεικνύεται ότι σε ένα χώρο με ελαφρά θετική καμπυλότητα, τα κανονικά δωδεκάεδρα μπορούν να γεμίσουν ολόκληρο τον χώρο χωρίς τρύπες ή αμοιβαίες τομές. Δεδομένης μιας ορισμένης αναλογίας μεταξύ του μεγέθους του δωδεκάεδρου και της καμπυλότητας, αυτό απαιτεί 120 σφαιρικά δωδεκάεδρα. Επιπλέον, αυτή η πολύπλοκη δομή από εκατοντάδες «μπάλες» μπορεί να αναχθεί σε μια τοπολογικά ισοδύναμη, αποτελούμενη από ένα μόνο δωδεκάεδρο, του οποίου οι αντίθετες όψεις αναγνωρίζονται, περιστρέφονται κατά 180 μοίρες.

Το σύμπαν που σχηματίζεται από ένα τέτοιο δωδεκάεδρο έχει μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες: δεν έχει προτιμώμενες κατευθύνσεις και περιγράφει το μέγεθος των χαμηλότερων γωνιακών αρμονικών του CMB καλύτερα από τα περισσότερα άλλα μοντέλα. Μια τέτοια εικόνα προκύπτει μόνο σε έναν κλειστό κόσμο με αναλογία της πραγματικής πυκνότητας της ύλης προς την κρίσιμη πυκνότητα 1,013, η οποία εμπίπτει στο εύρος τιμών που επιτρέπονται από τις σημερινές παρατηρήσεις (1,02 ± 0,02).

Για τον μέσο κάτοικο της Γης, όλες αυτές οι τοπολογικές περιπλοκές με την πρώτη ματιά δεν έχουν μεγάλη σημασία. Αλλά για τους φυσικούς και τους φιλοσόφους είναι ένα εντελώς διαφορετικό θέμα. Τόσο για την κοσμοθεωρία στο σύνολό της όσο και για μια ενοποιημένη θεωρία που εξηγεί τη δομή του κόσμου μας, αυτή η υπόθεση παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Ως εκ τούτου, έχοντας ανακαλύψει ανωμαλίες στο φάσμα του λειψάνου, οι επιστήμονες άρχισαν να αναζητούν άλλα στοιχεία που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να αντικρούσουν την προτεινόμενη τοπολογική θεωρία.

Ηχητικό πλάσμα
Στο φάσμα των διακυμάνσεων του CMB, η κόκκινη γραμμή υποδεικνύει τις προβλέψεις του θεωρητικού μοντέλου. Ο γκρίζος διάδρομος γύρω του είναι οι επιτρεπόμενες αποκλίσεις και οι μαύρες κουκκίδες είναι τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων. Τα περισσότερα από τα δεδομένα προέρχονται από το πείραμα WMAP και μόνο για τις υψηλότερες αρμονικές προστίθενται αποτελέσματα από τις μελέτες CBI (μπαλόνι) και ACBAR (εδαφική Ανταρκτική). Το κανονικοποιημένο γράφημα του γωνιακού φάσματος των διακυμάνσεων CMB δείχνει αρκετά μέγιστα. Αυτές είναι οι λεγόμενες «ακουστικές κορυφές» ή «ταλαντώσεις Ζαχάρωφ». Η ύπαρξή τους είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον Αντρέι Ζαχάρωφ. Αυτές οι κορυφές οφείλονται στο φαινόμενο Doppler και προκαλούνται από την κίνηση του πλάσματος τη στιγμή του ανασυνδυασμού. Το μέγιστο πλάτος των ταλαντώσεων εμφανίζεται εντός του μεγέθους της αιτιολογικά σχετιζόμενης περιοχής (ηχητικός ορίζοντας) τη στιγμή του ανασυνδυασμού. Σε μικρότερες κλίμακες, οι ταλαντώσεις του πλάσματος εξασθενούσαν από το ιξώδες των φωτονίων και σε μεγάλες κλίμακες οι διαταραχές ήταν ανεξάρτητες η μία από την άλλη και δεν ήταν σταδιακά. Επομένως, οι μέγιστες διακυμάνσεις που παρατηρούνται στη σύγχρονη εποχή συμβαίνουν στις γωνίες στις οποίες είναι ορατός ο ηχητικός ορίζοντας σήμερα, δηλαδή στην περιοχή του πρωτογενούς πλάσματος που έζησε μια μοναδική ζωή τη στιγμή του ανασυνδυασμού. Η ακριβής θέση του μέγιστου εξαρτάται από την αναλογία της συνολικής πυκνότητας του Σύμπαντος προς την κρίσιμη. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η πρώτη, υψηλότερη κορυφή βρίσκεται περίπου στην 200η αρμονική, η οποία, σύμφωνα με τη θεωρία, αντιστοιχεί με μεγάλη ακρίβεια σε ένα επίπεδο Ευκλείδειο Σύμπαν.

Πολλές πληροφορίες σχετικά με τις κοσμολογικές παραμέτρους περιέχονται στη δεύτερη και τις επόμενες ακουστικές κορυφές. Η ίδια η ύπαρξή τους αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι οι ακουστικές ταλαντώσεις στο πλάσμα είναι «φάσεις» κατά την εποχή του ανασυνδυασμού. Εάν δεν υπήρχε τέτοια σύνδεση, τότε θα παρατηρούνταν μόνο η πρώτη κορυφή και οι διακυμάνσεις σε όλες τις μικρότερες κλίμακες θα ήταν εξίσου πιθανές. Αλλά για να προκύψει μια τέτοια αιτιακή σχέση μεταξύ ταλαντώσεων σε διαφορετικές κλίμακες, αυτές οι (πολύ απομακρυσμένες μεταξύ τους) περιοχές έπρεπε να μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτή είναι ακριβώς η κατάσταση που προκύπτει φυσικά στο μοντέλο του πληθωριστικού Σύμπαντος και η σίγουρη ανίχνευση της δεύτερης και των επόμενων κορυφών στο γωνιακό φάσμα των διακυμάνσεων CMB είναι μια από τις πιο σημαντικές επιβεβαιώσεις αυτού του σεναρίου.

Παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή κοντά στο μέγιστο του θερμικού φάσματος. Για θερμοκρασία 3Κ είναι σε μήκος κύματος ραδιοφώνου 1mm. Το WMAP πραγματοποίησε τις παρατηρήσεις του σε ελαφρώς μεγαλύτερα μήκη κύματος: από 3 mm έως 1,5 εκ. Αυτό το εύρος είναι αρκετά κοντά στο μέγιστο και περιέχει χαμηλότερο θόρυβο από τα αστέρια του Γαλαξία μας.

Πολύπλευρος κόσμος

Στο δωδεκαεδρικό μοντέλο, ο ορίζοντας γεγονότων και το όριο ανασυνδυασμού που βρίσκεται πολύ κοντά σε αυτό τέμνουν καθεμία από τις 12 όψεις του δωδεκάεδρου. Η τομή του ορίου ανασυνδυασμού και του αρχικού πολύεδρου σχηματίζει 6 ζεύγη κύκλων στον χάρτη υποβάθρου των μικροκυμάτων, που βρίσκονται σε αντίθετα σημεία της ουράνιας σφαίρας. Η γωνιακή διάμετρος αυτών των κύκλων είναι 70 μοίρες. Αυτοί οι κύκλοι βρίσκονται σε αντίθετες όψεις του αρχικού δωδεκάεδρου, δηλαδή συμπίπτουν γεωμετρικά και φυσικά. Ως αποτέλεσμα, η κατανομή των διακυμάνσεων CMB κατά μήκος κάθε ζεύγους κύκλων θα πρέπει να συμπίπτει (λαμβάνοντας υπόψη την περιστροφή κατά 180 μοίρες). Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα, τέτοιοι κύκλοι δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί.

Αλλά αυτό το φαινόμενο, όπως αποδείχθηκε, είναι πιο περίπλοκο. Οι κύκλοι θα είναι πανομοιότυποι και συμμετρικοί μόνο για έναν παρατηρητή ακίνητο σε σχέση με το υπόβαθρο του λειψάνου. Η Γη κινείται σε σχέση με αυτήν με αρκετά υψηλή ταχύτητα, γι' αυτό εμφανίζεται ένα σημαντικό διπολικό συστατικό στην ακτινοβολία του φόντου. Σε αυτή την περίπτωση, οι κύκλοι μετατρέπονται σε ελλείψεις, τα μεγέθη τους, η θέση τους στον ουρανό και η μέση θερμοκρασία κατά μήκος του κύκλου αλλάζουν. Γίνεται πολύ πιο δύσκολος ο εντοπισμός πανομοιότυπων κύκλων παρουσία τέτοιων παραμορφώσεων και η ακρίβεια των δεδομένων που είναι διαθέσιμα σήμερα καθίσταται ανεπαρκής· χρειάζονται νέες παρατηρήσεις που θα βοηθήσουν να καταλάβουμε αν υπάρχουν ή όχι.

Πολλαπλασιασμός του πληθωρισμού

Ίσως το πιο σοβαρό πρόβλημα όλων των τοπολογικά πολύπλοκων κοσμολογικών μοντέλων, και ένας σημαντικός αριθμός από αυτά έχουν ήδη προκύψει, είναι κυρίως θεωρητικής φύσης. Σήμερα, το πληθωριστικό σενάριο για την εξέλιξη του Σύμπαντος θεωρείται στάνταρ. Προτάθηκε για να εξηγηθεί η υψηλή ομοιογένεια και ισοτροπία του παρατηρήσιμου Σύμπαντος. Σύμφωνα με τον ίδιο, αρχικά το Σύμπαν που γεννήθηκε ήταν αρκετά ετερογενές. Στη συνέχεια, κατά τη διαδικασία του πληθωρισμού, όταν το Σύμπαν επεκτάθηκε σύμφωνα με έναν νόμο κοντά στην εκθετική, το αρχικό του μέγεθος αυξήθηκε κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Σήμερα βλέπουμε μόνο ένα μικρό μέρος του Μεγάλου Σύμπαντος, στο οποίο εξακολουθούν να υπάρχουν ανομοιογένειες. Είναι αλήθεια ότι έχουν τόσο μεγάλη χωρική έκταση που είναι αόρατα μέσα στην περιοχή που είναι προσβάσιμη σε εμάς. Το πληθωριστικό σενάριο είναι η καλύτερα αναπτυγμένη κοσμολογική θεωρία μέχρι στιγμής.

Για ένα πολυσυνδεδεμένο σύμπαν, μια τέτοια ακολουθία γεγονότων δεν ταιριάζει. Σε αυτό, όλο το μοναδικό του μέρος και μερικά από τα πλησιέστερα αντίγραφά του είναι διαθέσιμα για παρατήρηση. Σε αυτή την περίπτωση, δομές ή διαδικασίες που περιγράφονται από κλίμακες πολύ μεγαλύτερες από τον παρατηρούμενο ορίζοντα δεν μπορούν να υπάρχουν.

Οι κατευθύνσεις προς τις οποίες θα πρέπει να αναπτυχθεί η κοσμολογία εάν επιβεβαιωθεί η πολυσυνδεσιμότητα του Σύμπαντος μας είναι ήδη σαφείς: πρόκειται για μη πληθωριστικά μοντέλα και λεγόμενα μοντέλα με ασθενή πληθωρισμό, στα οποία το μέγεθος του Σύμπαντος αυξάνεται μόνο λίγες φορές ( ή δεκάδες φορές) κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Δεν υπάρχουν ακόμα τέτοια μοντέλα και οι επιστήμονες, προσπαθώντας να διατηρήσουν τη γνώριμη εικόνα του κόσμου, αναζητούν ενεργά ελαττώματα στα αποτελέσματα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας ένα διαστημικό ραδιοτηλεσκόπιο.

Επεξεργασία αντικειμένων

Μία από τις ομάδες που διεξήγαγαν ανεξάρτητες μελέτες των δεδομένων WMAP επέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι τα τετράπολα και οκταπολικά συστατικά του CMB έχουν στενό προσανατολισμό μεταξύ τους και βρίσκονται σε ένα επίπεδο που σχεδόν συμπίπτει με τον γαλαξιακό ισημερινό. Το συμπέρασμα αυτής της ομάδας: συνέβη ένα σφάλμα κατά την αφαίρεση του γαλαξιακού φόντου από τα δεδομένα παρατήρησης του υποβάθρου μικροκυμάτων και η πραγματική τιμή των αρμονικών είναι εντελώς διαφορετική.

Οι παρατηρήσεις WMAP πραγματοποιήθηκαν σε 5 διαφορετικές συχνότητες ειδικά για να διαχωριστεί σωστά το κοσμολογικό και το τοπικό υπόβαθρο. Και η βασική ομάδα του WMAP πιστεύει ότι οι παρατηρήσεις υποβλήθηκαν σε σωστή επεξεργασία και απορρίπτει την προτεινόμενη εξήγηση.

Τα διαθέσιμα κοσμολογικά δεδομένα, που δημοσιεύθηκαν στις αρχές του 2003, ελήφθησαν μετά από επεξεργασία των αποτελεσμάτων μόνο του πρώτου έτους των παρατηρήσεων WMAP. Για τον έλεγχο των προτεινόμενων υποθέσεων, ως συνήθως, απαιτείται αύξηση της ακρίβειας. Μέχρι τις αρχές του 2006, το WMAP παρακολουθούσε συνεχώς για τέσσερα χρόνια, κάτι που θα ήταν αρκετό για να διπλασιάσει την ακρίβειά του, αλλά τα δεδομένα δεν έχουν ακόμη δημοσιευθεί. Πρέπει να περιμένουμε λίγο και ίσως οι υποθέσεις μας για τη δωδεκαεδρική τοπολογία του Σύμπαντος να γίνουν εντελώς αποδεικτικές.

Mikhail Prokhorov, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μελετά τη γεωμετρία του 4-διάστατου χωροχρόνου. Ωστόσο, το ζήτημα του σχήματος (γεωμετρίας) του ίδιου του τρισδιάστατου χώρου παραμένει ασαφές μέχρι σήμερα.

Μελετώντας την κατανομή των γαλαξιών, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν μας, με υψηλό βαθμό ακρίβειας, είναι χωρικά ομοιογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες. Αυτό σημαίνει ότι η γεωμετρία του κόσμου μας είναι η γεωμετρία μιας ομοιογενούς και ισότροπης τρισδιάστατης πολλαπλότητας. Υπάρχουν μόνο τρεις τέτοιες πολλαπλότητες: ένα τρισδιάστατο επίπεδο, μια τρισδιάστατη σφαίρα και ένα τρισδιάστατο υπερβολοειδές. Η πρώτη πολλαπλότητα αντιστοιχεί στον συνήθη τρισδιάστατο ευκλείδειο χώρο. Στη δεύτερη περίπτωση, το Σύμπαν έχει σχήμα σφαίρας. Αυτό σημαίνει ότι ο κόσμος είναι κλειστός και θα μπορούσαμε να φτάσουμε στο ίδιο σημείο στο διάστημα απλώς κινούμενοι σε ευθεία γραμμή (όπως ταξιδεύοντας γύρω από τη Γη). Τέλος, ο χώρος σε σχήμα υπερβολοειδούς αντιστοιχεί σε μια ανοιχτή τρισδιάστατη πολλαπλότητα, το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου στο οποίο είναι πάντα μικρότερο από 180 μοίρες. Έτσι, η μελέτη μόνο της δομής μεγάλης κλίμακας του Σύμπαντος δεν μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε με σαφήνεια τη γεωμετρία του τρισδιάστατου χώρου, αλλά μειώνει σημαντικά τις πιθανές επιλογές.

Η μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, η πιο ακριβής κοσμολογική παρατηρήσιμη αυτή τη στιγμή, επιτρέπει την πρόοδο σε αυτό το ζήτημα. Το γεγονός είναι ότι το σχήμα του τρισδιάστατου χώρου έχει σημαντικό αντίκτυπο στη διάδοση των φωτονίων στο Σύμπαν - ακόμη και μια ελαφρά καμπυλότητα της τρισδιάστατης πολλαπλότητας θα επηρέαζε σημαντικά το φάσμα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων. Η σύγχρονη έρευνα για αυτό το θέμα λέει ότι η γεωμετρία του Σύμπαντος είναι επίπεδη με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Εάν ο χώρος είναι καμπύλος, τότε η αντίστοιχη ακτίνα καμπυλότητας είναι 10.000 μεγαλύτερη από την αιτιατά συνδεδεμένη περιοχή στο Σύμπαν.

Το ζήτημα της γεωμετρίας της τρισδιάστατης πολλαπλότητας σχετίζεται στενά με την εξέλιξη του Σύμπαντος στο μέλλον. Για το διάστημα με τη μορφή ενός τρισδιάστατου υπερβολοειδούς, η διαστολή του Σύμπαντος θα διαρκούσε για πάντα, ενώ για τη σφαιρική γεωμετρία η διαστολή θα έδινε τη θέση της στη συμπίεση, ακολουθούμενη από την κατάρρευση του Σύμπαντος ξανά σε ιδιομορφία. Ωστόσο, με βάση τα σύγχρονα δεδομένα, ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος σήμερα δεν καθορίζεται από την καμπυλότητα της τρισδιάστατης πολλαπλότητας, αλλά από τη σκοτεινή ενέργεια, μια συγκεκριμένη ουσία με σταθερή πυκνότητα. Επιπλέον, εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμείνει σταθερή στο μέλλον, η συμβολή της στη συνολική πυκνότητα του Σύμπαντος θα αυξηθεί μόνο με το χρόνο και η συμβολή της καμπυλότητας θα μειωθεί. Αυτό σημαίνει ότι η γεωμετρία της τρισδιάστατης πολλαπλότητας πιθανότατα δεν θα έχει ποτέ σημαντικό αντίκτυπο στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Φυσικά, είναι αδύνατο να γίνουν αξιόπιστες προβλέψεις για τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας στο μέλλον και μόνο πιο ακριβείς μελέτες των ιδιοτήτων της μπορούν να ρίξουν φως στη μελλοντική μοίρα του Σύμπαντος.