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

> Ποιο είναι το σχήμα του σύμπαντος;

Σε ποια μορφή βρίσκεται το σύμπαν;: εξερεύνηση άπειρου χώρου, χάρτης WMAP CMB, γεωμετρία του Σύμπαντος και υποτιθέμενα σχήματα με φωτογραφία.

Αξίζει καν να σκεφτούμε τι σχήμα έχει το σύμπαν; Με τι έχουμε να κάνουμε; Σφαίρα? Κώνος? διαμέρισμα? Και πώς να το ορίσετε;

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, τα φυσικά μόνιμα και εκρηκτικά βαρέα μέταλλα, καταφέραμε να δημιουργήσουμε ζωή σε μια μικρή βραχώδη μπάλα, χαμένη σε έναν από τους πολλούς γαλαξίες.

Αλλά δεν θέλετε να μάθετε πού μένετε; Ακριβώς για να έχουμε την ευκαιρία να δούμε τα πάντα από έξω, όπως κάναμε με τον πλανήτη μας 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 ο κόσμος, λόγω έλλειψης ενημέρωσης, πρόσφερε αρκετά 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 απλώς μιας χελώνας.

Είναι ενδιαφέρον ότι οι συνεισφορές του Άλμπερτ Αϊνστάιν βοηθούν στη δοκιμή καθενός από αυτά τα μοντέλα. Οι επιστήμονες έχουν προτείνει 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. Ενεργοποιήστε λοιπόν τη μέγιστη φαντασία και πάμε!

Με μια θετικά κυρτή έκδοση, έχουμε μια τετραδιάστατη σφαίρα. Αυτή η ποικιλία έχει ένα τέλος, αλλά δεν ξεχωρίζει σαφές όριο. Πιο συγκεκριμένα, δύο σωματίδια θα το διέσχιζαν πριν επιστρέψουν στο σημείο εκκίνησης. Μπορείτε να το δοκιμάσετε ακόμη και στο σπίτι. Πάρτε το 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 καμπυλωθεί ή να κλείσει τελείως, ο χώρος θα έπρεπε να σταματήσει να διαστέλλεται. Αυτό θα συμβεί εάν υπάρχει ένα ενεργειακό απόθεμα μεγάλης κλίμακας ικανό να δημιουργήσει ένα πλεονέκτημα. Τα σύγχρονα δεδομένα δείχνουν ότι η επέκταση είναι μια διαδικασία που δεν τελειώνει ποτέ. Αυτό το σενάριο λοιπόν έχει βγει.

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 δύο σωματίδια εκτοξευθούν κατά μήκος ευθειών γραμμών, 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, δύο σωματίδια θα ταξιδεύουν παράλληλα, αλλά ποτέ δεν θα χωριστούν ή θα συναντηθούν.

Είναι εύκολο να φανταστεί κανείς αυτές τις τρεις μορφές, 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 το υποτιθέμενο σχήμα του σύμπαντος στη φωτογραφία.

Και έτσι φτάνουμε στο σωλήνα. Αυτό είναι ένα άλλο είδος αρνητικής καμπυλότητας. Ένα από τα άκρα του θα είναι στενό και το άλλο - φαρδύ. Στο πρώτο ημίχρονο όλα έμοιαζαν στενά και υπήρχαν σε δύο διαστάσεις. Και σε μια ευρεία, θα μπορούσε κανείς να ταξιδέψει σε μέγιστες αποστάσεις, αλλά θα έπρεπε να επιστρέψει στην αντίθετη κατεύθυνση (αλλαγή κατεύθυνσης σε μια στροφή).

Τι τότε? Με τι έχουμε να κάνουμε; Κουλούρι? Πνευστό όργανο? Τυρί γιγαντιαία κεφαλή; Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη αποκλείσει επιλογές με σωλήνα και σέλα.

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

Είναι αδιανόητο ότι όχι μόνο μπορούμε να μάθουμε πώς μοιάζει το σύμπαν, αλλά υπάρχουν άνθρωποι που προσπαθούν συνεχώς να βρουν ακόμα περισσότερες πληροφορίες. Αν το «επίπεδο» σας φαίνεται βαρετό, τότε μην ξεχνάτε ότι δεν έχουμε αρκετές πληροφορίες ακόμα. Επομένως, είναι πιθανό να μπορούμε όλοι να υπάρχουμε σε ένα γιγάντιο ντόνατ.

Φανταστείτε μια πολύ μεγάλη μπάλα. Αν και "από έξω" φαίνεται να είναι τρισδιάστατο, η επιφάνειά του - η σφαίρα - είναι δισδιάστατη, επειδή υπάρχουν μόνο δύο ανεξάρτητες κατευθύνσεις κίνησης στη σφαίρα. 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 την ίδια στιγμή κάνατε ακριβείς μετρήσεις αποστάσεων σε μια σφαίρα, θα καταλάβατε ότι δεν ζείτε σε μια επίπεδη επιφάνεια, αλλά στην επιφάνεια μιας μεγάλης σφαίρας ( περίπου. μετάφρ.Είναι μάλλον καλύτερο να κάνουμε μια αναλογία με την επιφάνεια της υδρογείου).
Η ιδέα της καμπυλότητας της επιφάνειας μιας σφαίρας 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, 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 στο σύνολό του. Αυτό σημαίνει ότι είναι απαραίτητο 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 εργάζονται με τον ακόλουθο τρόπο - αναζητούν 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 όταν ελήφθησαν. Και έτσι, η γεωμετρία του χωροχρόνου αντιμετωπίζεται ως μια αποκλειστικά κλασική έννοια, χωρίς καμία κβαντική αβεβαιότητα. 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 το 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, και από τα οποία αποτελούνται τα άτομα, τα οποία, με τη σειρά τους, αποτελούνται από ύλη, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κάθε σωματίδιο - ο φορέας της αλληλεπίδρασης (εκτός από τη βαρύτητα) - "ζει" σε έναν καμπύλο χώρο- χρόνο 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 συνεχώς. Με άλλα λόγια, ο χωροχρόνος περιλαμβάνει όλα τα γεγονότα που έχουν συμβεί και θα συμβούν ποτέ.
Είναι αλήθεια, τώρα, αν είμαστε πολύ κυριολεκτικοί σε μια τέτοια έννοια, μπορεί να αντιμετωπίσουμε προβλήματα, γιατί δεν μπορούμε να λάβουμε υπόψη όλες τις μικρότερες αλλαγές στην κατανομή της ενέργειας και της πυκνότητας ορμής στο Σύμπαν που μόλις συνέβησαν και θα συμβούν ακόμα στο Σύμπαν. το σύμπαν. Όμως, ευτυχώς, ο ανθρώπινος νους είναι σε θέση να λειτουργεί με έννοιες όπως π.χ αφαίρεσηκαι προσέγγιση, έτσι μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα αφηρημένο μοντέλο που περιγράφει χονδρικά το παρατηρήσιμο σύμπαν αρκετά καλά σε μεγάλες κλίμακες, ας πούμε, τις κλίμακες των σμήνων γαλαξιών.
Αλλά για να λύσουμε εξισώσεις, αυτό δεν αρκεί. Είναι επίσης απαραίτητο να γίνουν ορισμένες απλοποιητικές υποθέσεις σχετικά με την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Η πρώτη υπόθεση που κάνουμε είναι αυτή Ο χωροχρόνος μπορεί να χωριστεί σε χώρο και χρόνο. Αυτό, ωστόσο, δεν είναι πάντα δυνατό, για παράδειγμα, σε ορισμένες περιπτώσεις περιστρεφόμενων μαύρων τρυπών, ο χώρος και ο χρόνος «γυρίζουν» μαζί και έτσι δεν μπορούν να διαχωριστούν τακτικά. Ωστόσο, δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι το σύμπαν μας μπορεί να περιστρέφεται με αυτόν τον τρόπο. Έτσι, μπορούμε κάλλιστα να κάνουμε την υπόθεση ότι ο χωροχρόνος μπορεί να περιγραφεί ως χώρο που αλλάζει με το χρόνο.
Η επόμενη σημαντική υπόθεση που προκύπτει από τη θεωρία του Big Bang είναι ότι ο χώρος φαίνεται ο ίδιος προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και σε οποιοδήποτε σημείο. Η ιδιότητα να φαίνεται το ίδιο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση ονομάζεται ισοτροπία και το να φαίνεται το ίδιο σε οποιοδήποτε σημείο ονομάζεται ομοιομορφία. Έτσι, υποθέτουμε ότι ο χώρος μας ομοιογενής και ισοτροπική. Οι κοσμολόγοι ονομάζουν αυτή την υπόθεση μέγιστη συμμετρία. Πιστεύεται ότι αυτή είναι μια αρκετά λογική υπόθεση σε μεγάλη κλίμακα.
Όταν λύνουν τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη χωροχρονική γεωμετρία του σύμπαντός μας, οι κοσμολόγοι εξετάζουν τρεις κύριους τύπους ενέργειας που μπορούν και παραμορφώνουν τον χωροχρόνο:
1. ενέργεια κενού
2. ακτινοβολία
3. συνηθισμένη ύλη
Η ακτινοβολία και η συνηθισμένη ύλη θεωρούνται ως ένα ομοιογενές αέριο που γεμίζει το Σύμπαν, με κάποια εξίσωση κατάστασης που σχετίζεται με την πίεση με την πυκνότητα.
Αφού γίνουν υποθέσεις για την ομοιογένεια των πηγών ενέργειας και για τη μέγιστη συμμετρία, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν μπορούν να αναχθούν σε δύο διαφορικές εξισώσεις που είναι εύκολο να λυθούν χρησιμοποιώντας τις απλούστερες 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;

Εάν σε κάθε χρονική στιγμή ο χώρος σε κάθε σημείο φαίνεται ίδιος προς όλες τις κατευθύνσεις, τότε ένας 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 όλα, απαντά επίσης στο ερώτημα του χρόνου εξέλιξης:
θετική καμπυλότητα: Ένας Ν-διάστατος χώρος με σταθερή θετική καμπυλότητα είναι μια Ν-διάστατη σφαίρα. Το κοσμολογικό μοντέλο στο οποίο ο χώρος έχει σταθερή θετική καμπυλότητα ονομάζεται κλειστόκοσμολογικό μοντέλο. Σε ένα τέτοιο μοντέλο, ο χώρος διαστέλλεται από τον μηδενικό όγκο τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, στη συνέχεια σε κάποια χρονική στιγμή φτάνει στον μέγιστο όγκο του και αρχίζει να συρρικνώνεται 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, εξίσου εκτεταμένος 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 συγκριθεί λίγο πολύ είναι ένα υπερβολοειδές, το οποίο είναι μια δισδιάστατη υπερσφαίρα. Ένας χώρος με αρνητική καμπυλότητα έχει άπειρο όγκο. Σε ένα χώρο με αρνητική καμπυλότητα, ΆνοιξεΣύμπαν. Επίσης, όπως 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. Αφήστε . 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;

Υπάρχουν πολλά πράγματα στο σύμπαν όπως αστέρια ή ζεστό αέριο ή οτιδήποτε 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 βρήκαν στοιχεία ότι υπάρχει πολλή αόρατη ύλη στο Σύμπαν.
Για παράδειγμα, αποδείχθηκε ότι η ορατή ύλη με τη μορφή άστρων και διαστρικού αερίου δεν αρκεί για να κρατήσει τους γαλαξίες βαρυτικούς δεσμούς. Οι εκτιμήσεις για το πόση ύλη χρειάζεται πραγματικά για έναν μέσο γαλαξία για να μην πετάξει χώρια οδήγησαν 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 μπορεί να είναι; Από τι μπορεί να είναι φτιαγμένο; Αν αποτελούνταν από κουάρκ, όπως η συνηθισμένη ύλη, τότε θα έπρεπε να είχε παραχθεί πολύ περισσότερο ήλιο και δευτέριο στο πρώιμο Σύμπαν από ό,τι υπάρχει 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, τα οποία παρατηρούνται τώρα στους επιταχυντές.
Η ορατή ύλη στο Σύμπαν, επομένως, είναι πολύ λιγότερη από ό,τι χρειάζεται 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; Η μελέτη των κινήσεων σε σμήνη γαλαξιών υποδηλώνει ότι η συνολική πυκνότητα είναι περίπου 30% της κρίσιμης, ενώ η ορατή ύλη είναι περίπου 5%, και η σκοτεινή ύλη 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 πρέπει να διαστέλλεται. Αλλά ο Αϊνστάιν ήθελε μια θεωρία σύμφωνα με την οποία το σύμπαν θα παρέμενε πάντα στο ίδιο μέγεθος. Και για να το κάνει αυτό, πρόσθεσε στην εξίσωση έναν όρο που τώρα είναι γνωστός ως κοσμολογικός όρος, το οποίο, όταν προστεθεί στην ενεργειακή πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης και της ακτινοβολίας, εμπόδισε το σύμπαν να διασταλεί 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 δυναμικά με φυσικό τρόπο 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 συγκεχυμένη από τις απλούστερες περιπτώσεις ενός ανοιχτού ή κλειστού Σύμπαντος που περιγράφηκαν παραπάνω.

Λοιπόν, ποια είναι 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. Σύμφωνα με πρόσφατες παρατηρήσεις αστρονόμων,
1. Το Σύμπαν μας είναι επίπεδο με καλή ακρίβεια: Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων είναι ένα λείψανο από μια εποχή που το σύμπαν ήταν ζεστό και γεμάτο 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 του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων δείχνουν ακριβώς ότι το δικό μας Το σύμπαν είναι επίπεδο.
2. Υπάρχει μια κοσμολογική σταθερά στο Σύμπαν: Υπάρχει ενέργεια κενού στο σύμπαν, ή τουλάχιστον κάτι που λειτουργεί σαν ενέργεια κενού, προκαλώντας το σύμπαν να διαστέλλεται γρήγορα. Τα δεδομένα για τις μετατοπίσεις στο κόκκινο των μακρινών σουπερνόβα είναι απόδειξη της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος.
3. Το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν έχει τη μορφή σκοτεινής ύλης: Η μελέτη της κίνησης των γαλαξιών οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η συνηθισμένη ύλη με τη μορφή άστρων, γαλαξιών, πλανητών και διαστρικών αερίων είναι μόνο ένα μικρό κλάσμα όλης της ύλης στο σύμπαν.
Από τη σημερινή εποχή


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

<< Πόσο χρονών είναι το σύμπαν μας; | Πίνακας περιεχομένων | Universe History Tour >>

Η επόμενη εκδοχή της δομής του Σύμπαντος παρουσιάστηκε από τον φυσικό Frank Steiner από το Πανεπιστήμιο του Ulm (Universität Ulm), αναλύοντας εκ νέου μαζί με τους συναδέλφους του τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον διαστημικό ανιχνευτή μικροκυμάτων Wilkinson Anisotropy Probe (WMAP), που εκτοξεύτηκε μία φορά στο καταγράψτε την ακτινοβολία φόντου με λεπτομέρεια.

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 μπαίνεις μέσα από την αντίθετη πλευρά αυτού του πολυδιάστατου "βρόχου Mobius".

Από αυτή την παρουσίαση προκύπτουν ενδιαφέροντα συμπεράσματα. Για παράδειγμα, ότι έχοντας πετάξει σε ευθεία γραμμή σε κάποιον «υπεργρήγορο» πύραυλο, μπορείτε τελικά να επιστρέψετε στο σημείο εκκίνησης ή, εάν πάρετε ένα «πολύ μεγάλο» τηλεσκόπιο, μπορείτε να δείτε τα ίδια αντικείμενα σε διαφορετικά μέρη του διαστήματος, μόνο λόγω του πεπερασμένου της ταχύτητας του φωτός - σε διαφορετικά στάδια της ζωής.

Οι επιστήμονες προσπάθησαν να πραγματοποιήσουν τέτοιες παρατηρήσεις, αλλά δεν βρέθηκε τίποτα παρόμοιο με τις «αντανακλάσεις καθρέφτη». Είτε επειδή το μοντέλο είναι λάθος, είτε επειδή δεν υπάρχει αρκετό «εύρος» της σύγχρονης παρατηρητικής αστρονομίας. Ωστόσο, η συζήτηση για το σχήμα και το μέγεθος του σύμπαντος συνεχίζεται.

Τώρα ο Στάινερ και οι σύντροφοί του έριξαν νέα καυσόξυλα 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 μικροκυμάτων φόντου με άνευ προηγουμένου ακρίβεια και ευαισθησία (εικόνες από ESA/AOES Medialab και ESA/C. Carreau).

Ο Γερμανός φυσικός συνέταξε διάφορα μοντέλα του σύμπαντος και δοκίμασε πώς σχηματίζονται σε αυτά κύματα πυκνότητας υποβάθρου μικροκυμάτων. Ισχυρίζεται ότι το σύμπαν του ντόνατ δίνει τη μεγαλύτερη αντιστοιχία με το παρατηρούμενο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, και υπολόγισε ακόμη και τη διάμετρό του. Το ντόνατ αποδείχθηκε ότι είχε πλάτος 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 να το φτιάξουμε.

Αρχικά, φανταστείτε πώς σχηματίζεται ένα συνηθισμένο «ντόνατ». Παίρνεις ένα φύλλο χαρτί και το διπλώνεις 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 τα ίδια, εκτός από το ότι δεν λαμβάνεται ένα φύλλο, αλλά ένας κύβος ως αρχικό συστατικό και είναι απαραίτητο να κολλήσετε όχι τις άκρες των επιπέδων, αλλά κάθε ζεύγος 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 «ντόνατ υψηλών διαστάσεων», αλλά λέει μόνο ότι αυτή η μορφή είναι μία από τις πιο πιθανές. Επίσης, ορισμένοι επιστήμονες προσθέτουν 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 ακτινοβολίας υποβάθρου από αυτές που εκτελούνται από το WMAP. Και μια τέτοια έρευνα θα πραγματοποιηθεί σύντομα από τον ευρωπαϊκό δορυφόρο Planck, ο οποίος πρόκειται να εκτοξευτεί στις 31 Οκτωβρίου 2008.

«Από φιλοσοφική άποψη, μου αρέσει η ιδέα ότι το σύμπαν είναι πεπερασμένο και μια μέρα θα μπορούσαμε να το εξερευνήσουμε πλήρως και να μάθουμε τα πάντα για αυτό. Αλλά επειδή τα ερωτήματα της φυσικής δεν μπορούν να λυθούν με τη φιλοσοφία, ελπίζω ότι ο Planck θα τα απαντήσει», λέει ο Steiner.

Στην αρχαιότητα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι η γη είναι επίπεδη και στέκεται 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 στη διαδικασία μελέτης της ακτινοβολίας υποβάθρου δείχνουν ότι το Σύμπαν μπορεί κάλλιστα να είναι κλειστό στον εαυτό του. Αποδεικνύεται ότι εάν πετάτε από τη γη όλη την ώρα, τότε κάποια στιγμή θα αρχίσετε να την πλησιάζετε και τελικά θα επιστρέψετε πίσω, παρακάμπτοντας ολόκληρο το Σύμπαν και κάνοντας ένα ταξίδι σε όλο τον κόσμο, όπως ένα από τα πλοία του Μαγγελάνου, έχοντας κάνει κύκλους σε όλη την υδρόγειο, έπλευσε στο ισπανικό λιμάνι Sanlúcar de Barrameda.

Η υπόθεση ότι το σύμπαν μας γεννήθηκε ως αποτέλεσμα της Μεγάλης Έκρηξης θεωρείται πλέον γενικά αποδεκτή. Η ύλη στην αρχή ήταν πολύ καυτή, πυκνή και επεκτεινόταν 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 σε τυχόν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ο ανασυνδυασμός (σύνδεση) πυρήνων και ηλεκτρονίων που ξεκίνησε εκείνη την εποχή, δηλαδή ο σχηματισμός ουδέτερων ατόμων υδρογόνου και ηλίου, άλλαξε ριζικά τις οπτικές ιδιότητες του Σύμπαντος. Έχει γίνει 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 μας κλείνει από ένα είδος «πύρινου τοίχου» ιονισμένης ύλης. Είναι δυνατόν να κοιτάξουμε πολύ βαθύτερα στην ιστορία του Σύμπαντος μόνο εάν μάθουμε πώς να καταχωρούμε 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 του μέλλοντος και μακριά από αυτό, το πιο κοντινό.

Από το σχηματισμό των ουδέτερων ατόμων, το Σύμπαν μας έχει διασταλεί κατά περίπου 1.000 φορές και η ακτινοβολία της εποχής 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 δοκιμή μιας μεγάλης κεραίας ραδιοφώνου, είναι πρακτικά το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Σύμφωνα με τα σύγχρονα δεδομένα, υπάρχουν εκατό εκατομμύρια φορές περισσότερα λείψανα φωτόνια από τα άτομα, έτσι ο κόσμος μας απλώς λούζεται σε ρεύματα έντονα κοκκινισμένου φωτός που εκπέμπεται στα πρώτα κιόλας λεπτά της ζωής του Σύμπαντος.

Κλασική τοπολογία χώρου

Σε κλίμακες μεγαλύτερες από 100 megaparsec, το μέρος του Σύμπαντος που βλέπουμε είναι αρκετά ομοιογενές. Όλες οι πυκνές συστάδες γαλαξιών ύλης, 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 που προϋποθέτουν σφαιρική συμμετρία και χωρική ομοιογένεια της κατανομής της ύλης.

Οι κλασικές κοσμολογικές λύσεις των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας (GR) 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 οριοθετημένες λύσεις). Αλλά τέτοια σύμπαντα, αποδεικνύεται, έχουν μια εναλλακτική λύση: ένα σύμπαν χωρίς άκρες και όρια, ένα σύμπαν πεπερασμένου όγκου κλειστό στον εαυτό του.

Οι πρώτες λύσεις που βρήκε ο Φρίντμαν περιέγραφαν σύμπαντα γεμάτα μόνο με ένα είδος ύλης. Διαφορετικές εικόνες προέκυψαν λόγω της διαφοράς στη μέση πυκνότητα της ύλης: αν υπερέβαινε το κρίσιμο επίπεδο, αποκτήθηκε ένα κλειστό σύμπαν με θετική χωρική καμπυλότητα, πεπερασμένες διαστάσεις και διάρκεια ζωής. Η διαστολή του σταδιακά επιβραδύνθηκε, σταμάτησε και αντικαταστάθηκε από συστολή σε ένα σημείο. Το σύμπαν με πυκνότητα κάτω από την κρίσιμη είχε αρνητική καμπυλότητα και επεκτεινόταν άπειρα, ο ρυθμός 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 άπειρη και οι στιγμιαίες χωρικές τομές του είναι ένας επίπεδος Ευκλείδειος χώρος με μηδενική καμπυλότητα. Ένα επίπεδο, όπως ένα ανοιχτό, διαστέλλεται επ' αόριστον, αλλά ο ρυθμός επέκτασής του τείνει στο μηδέν. Αργότερα, επινοήθηκαν πιο πολύπλοκα μοντέλα, στα οποία ένα ομοιογενές και ισότροπο σύμπαν ήταν γεμάτο με μια πολυσυστατική ύλη που αλλάζει με το χρόνο.

Οι σύγχρονες παρατηρήσεις δείχνουν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται τώρα με επιτάχυνση (βλ. «Beyond the Universe's Event Horizon», Νο. 3, 2006). Μια τέτοια 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 ελκτικές δυνάμεις της συνηθισμένης ύλης σε μεγάλη κλίμακα. 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 συσσωρεύεται τόσο γρήγορα που το σύμπαν γίνεται άπειρο σε ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα. 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 αντιπροσωπεύουν παρόμοια με τον συνηθισμένο μας χώρο. Αυτή η εικόνα είναι σε καλή συμφωνία με τα δεδομένα που λαμβάνουν οι αστρονόμοι με τη βοήθεια τηλεσκοπίων που καταγράφουν την υπέρυθρη, την ορατή, την υπεριώδη ακτινοβολία και τις ακτίνες Χ. Και μόνο τα δεδομένα των ραδιοπαρατηρήσεων, δηλαδή μια λεπτομερής μελέτη του υπολείμματος, έκανε τους επιστήμονες να αμφιβάλλουν ότι ο κόσμος μας είναι διατεταγμένος τόσο ευθύς.

Οι επιστήμονες δεν θα μπορέσουν να κοιτάξουν πίσω από το «τείχος της φωτιάς» που μας χωρίζει από τα γεγονότα των πρώτων χιλιάδων ετών 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 ακόμη και σήμερα. Συνήθως, η φυσική χρησιμοποιείται για να εξηγήσει νέα κοσμολογικά δεδομένα: τις εξισώσεις της κατάστασης της ύλης, τους νόμους της διαστολής και τα φάσματα των αρχικών διαταραχών. Αλλά αυτή τη φορά, η φύση της ανιχνευόμενης γωνιακής ανομοιογένειας της ακτινοβολίας απαιτούσε μια εντελώς διαφορετική εξήγηση, μια γεωμετρική. Πιο συγκεκριμένα τοπολογικά.

Ο κύριος σκοπός του WMAP ήταν η κατασκευή ενός λεπτομερούς χάρτη της θερμοκρασίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (ή, όπως ονομάζεται επίσης, του μικροκυματικού υποβάθρου). Το WMAP είναι ένας εξαιρετικά ευαίσθητος ραδιοφωνικός δέκτης που καταγράφει ταυτόχρονα σήματα που προέρχονται από δύο σχεδόν διαμετρικά αντίθετα σημεία του ουρανού. 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 λόγω της συνδυασμένης δράσης των βαρυτικών πεδίων της Γης και του Ήλιου, η περίοδος περιστροφής του είναι ακριβώς ένα έτος και δεν πετάει πουθενά μακριά από τη Γη. Ο δορυφόρος εκτοξεύτηκε σε μια τόσο μακρινή τροχιά, ώστε οι παρεμβολές από την επίγεια ανθρωπογενή δραστηριότητα να μην παρεμποδίζουν τη λήψη ραδιοεκπομπών υπολειμμάτων.

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 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 μεγάλη κλίμακα, 72±2 km/s/Mpc. Τρίτον, η ηλικία του Σύμπαντος είναι 13,4±0,3 δισεκατομμύρια χρόνια και η μετατόπιση προς το κόκκινο που αντιστοιχεί στον χρόνο ανασυνδυασμού είναι 1088±2 (αυτή είναι μια μέση τιμή, το πάχος του ορίου ανασυνδυασμού είναι πολύ μεγαλύτερο από το υποδεικνυόμενο σφάλμα). Το πιο εντυπωσιακό αποτέλεσμα για τους θεωρητικούς ήταν το γωνιακό φάσμα των διαταραχών ακτινοβολίας λειψάνων, πιο συγκεκριμένα, η πολύ μικρή τιμή της δεύτερης και της τρίτης αρμονικής.

Ένα τέτοιο φάσμα κατασκευάζεται με την αναπαράσταση του χάρτη θερμοκρασίας ως άθροισμα διαφόρων σφαιρικών αρμονικών (πολλαπλών). Σε αυτή την περίπτωση, τα μεταβλητά στοιχεία διακρίνονται από τη γενική εικόνα των διαταραχών που ταιριάζουν στη σφαίρα ακέραιο αριθμό φορές: τετράπολο 2 φορές, οκτάπολο 3 φορές κ.ο.κ. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός της σφαιρικής αρμονικής, τόσο περισσότερες ταλαντώσεις υψηλής συχνότητας του φόντου περιγράφει και τόσο μικρότερο είναι το γωνιακό μέγεθος των αντίστοιχων «κηλίδων». 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 τη σωστή μέτρηση όλων των σφαιρικών αρμονικών, χρειάζεται ένας χάρτης ολόκληρης της ουράνιας σφαίρας και το WMAP λαμβάνει την επαληθευμένη έκδοσή του μόλις σε ένα χρόνο. Οι πρώτοι τέτοιοι όχι πολύ λεπτομερείς χάρτες ελήφθησαν το 1992 στα πειράματα Relic και COBE (Cosmic Background Explorer).

Πώς μοιάζει ένα bagel με ένα φλιτζάνι καφέ;
Υπάρχει ένας τέτοιος κλάδος της τοπολογίας των μαθηματικών, που διερευνά τις ιδιότητες των σωμάτων που διατηρούνται κάτω από οποιαδήποτε από τις παραμορφώσεις τους χωρίς κενά και 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, και για να κάνετε το ίδιο με έναν δακτύλιο, μπορείτε να κάνετε μόνο δύο τομές. Οι τοπολόγοι απλά αγαπούν όλα τα είδη εξωτικών κατασκευών όπως ένας επίπεδος τόρος, μια κερασφόρος σφαίρα ή ένα μπουκάλι Klein, που μπορούν να απεικονιστούν σωστά μόνο σε έναν χώρο με διπλάσιες διαστάσεις. Έτσι το τρισδιάστατο Σύμπαν μας, κλειστό στον εαυτό του, μπορεί εύκολα να το φανταστεί κανείς μόνο ζώντας σε έναν εξαδιάστατο χώρο. Οι κοσμικοί τοπολόγοι δεν καταπατούν ακόμα τον χρόνο, αφήνοντάς του την ευκαιρία να ρέει απλά γραμμικά, χωρίς να κλειδώνεται σε τίποτα. Έτσι, η ικανότητα να δουλεύουμε στον χώρο των επτά διαστάσεων σήμερα είναι αρκετά αρκετή για να καταλάβουμε πόσο περίπλοκο είναι το δωδεκαεδρικό μας Σύμπαν.

Ο τελικός χάρτης θερμοκρασίας CMB βασίζεται σε μια επίπονη ανάλυση χαρτών που δείχνουν την ένταση της ραδιοεκπομπής σε πέντε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων.

Μια απρόσμενη απόφαση

Για τις περισσότερες σφαιρικές αρμονικές, τα ληφθέντα πειραματικά δεδομένα συνέπεσαν με τους υπολογισμούς του μοντέλου. Μόνο δύο αρμονικές, τετράπολοι και οκτάπολοι, αποδείχθηκαν σαφώς κάτω από το επίπεδο που περίμεναν οι θεωρητικοί. Επιπλέον, η πιθανότητα να συμβούν τυχαία τέτοιες μεγάλες αποκλίσεις είναι εξαιρετικά μικρή. Η καταστολή τετραπόλων και οκταπόλων σημειώθηκε ήδη από τα δεδομένα COBE. Ωστόσο, οι χάρτες που αποκτήθηκαν εκείνα τα χρόνια είχαν κακή ανάλυση και μεγάλο θόρυβο, οπότε η συζήτηση αυτού του θέματος αναβλήθηκε για καλύτερες εποχές. Για ποιον λόγο τα πλάτη των δύο μεγαλύτερης κλίμακας διακυμάνσεις στην ένταση του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου αποδείχθηκαν τόσο μικρά, στην αρχή ήταν εντελώς ακατανόητο. Δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί ένας φυσικός μηχανισμός για την καταστολή τους, καθώς πρέπει να ενεργεί στην κλίμακα ολόκληρου του παρατηρήσιμου Σύμπαντος, καθιστώντας το πιο ομοιογενές και ταυτόχρονα να σταματήσει να λειτουργεί σε μικρότερες κλίμακες, επιτρέποντάς του να αυξομειώνεται πιο έντονα. Γι' αυτό μάλλον άρχισαν να αναζητούν εναλλακτικούς τρόπους και βρήκαν μια τοπολογική απάντηση στο ερώτημα που προέκυψε. Η μαθηματική λύση του φυσικού προβλήματος αποδείχθηκε 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 προκύπτει λόγω επαναλαμβανόμενης παρατήρησης της ίδιας περιοχής του ανασυνδυαζόμενου πλάσματος μέσω διαφορετικών τμημάτων του κλειστού δωδεκαεδρικού χώρου. Αποδεικνύεται ότι οι χαμηλές αρμονικές, όπως ήταν, σβήνουν λόγω της διέλευσης ενός 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 ότι είναι κοντά και 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 που είναι μόνο ελαφρώς μεγαλύτερο από τον ορατό ορίζοντα γεγονότων.

Χάρτης ανισοτροπίας
Το τετράπολο που αναφέρεται στο κείμενο του άρθρου δεν είναι η κατώτερη σφαιρική αρμονική. Εκτός από αυτό, υπάρχει ένα μονόπολο (μηδενική αρμονική) και ένα δίπολο (πρώτη αρμονική). Το μέγεθος του μονοπόλου καθορίζεται από τη μέση θερμοκρασία της ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία σήμερα είναι 2,728 Κ. Αφού αφαιρεθεί από το γενικό υπόβαθρο, η συνιστώσα του διπόλου αποδεικνύεται ότι είναι η μεγαλύτερη, δείχνοντας πόση είναι η θερμοκρασία σε ένα από τα ημισφαίρια του χώρου που μας περιβάλλει είναι υψηλότερος από τον άλλο. Η παρουσία αυτού του συστατικού προκαλείται κυρίως από την κίνηση της Γης και του Γαλαξία σε σχέση με το CMB. Λόγω του φαινομένου Doppler, η θερμοκρασία αυξάνεται προς την κατεύθυνση της κίνησης και μειώνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η περίσταση θα καταστήσει δυνατό τον προσδιορισμό της ταχύτητας οποιουδήποτε αντικειμένου σε σχέση με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου και έτσι θα εισαγάγει το πολυαναμενόμενο απόλυτο σύστημα συντεταγμένων, το οποίο βρίσκεται 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 την ακτινοβολία υποβάθρου 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, όπου ανήκει, κινείται σε σχέση με το λείψανο με ταχύτητα περίπου 600 km/s.

Όλες οι άλλες διαταραχές (ξεκινώντας 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 την εκπομπή ραδιοφώνου από τον 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 ίδια η ακτινοβολία του Γαλαξία (κυρίως συγκεντρωμένη στο επίπεδο του γαλαξιακού ισημερινού), παρατηρήσεις του μικροκυμάτων φόντο πραγματοποιούνται σε πέντε ζώνες συχνοτήτων στην περιοχή από 22,8 GHz έως 93 ,5 GHz.

Συνδυασμοί με τον Thor

Το απλούστερο σώμα με τοπολογία πιο σύνθετη από μια σφαίρα ή ένα επίπεδο είναι ένας τόρος. Όποιος κρατούσε ένα ντόνατ 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 ένα ορθογώνιο, των οποίων οι απέναντι πλευρές προσδιορίζονται και αν το κινούμενο αντικείμενο κατέβει, 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. Εάν εντοπίσετε τις αντίθετες όψεις του, τότε σχηματίζεται ένας τρισδιάστατος τόρος. Αν κοιτάξετε μέσα σε έναν τέτοιο κύβο τον περιβάλλοντα χώρο, μπορείτε να δείτε έναν άπειρο κόσμο που αποτελείται από αντίγραφα του ενός και μοναδικού (μη επαναλαμβανόμενου) μέρους του, ο όγκος του οποίου είναι αρκετά πεπερασμένος. Σε έναν τέτοιο κόσμο, δεν υπάρχουν όρια, αλλά υπάρχουν τρεις επιλεγμένες κατευθύνσεις παράλληλες με τις άκρες του αρχικού κύβου, κατά μήκος των οποίων παρατηρούνται περιοδικές σειρές των αρχικών αντικειμένων. Αυτή η εικόνα μοιάζει πολύ με αυτό που μπορεί να δει κανείς μέσα σε έναν κύβο με τοίχους με καθρέφτη. Είναι αλήθεια ότι κοιτάζοντας οποιαδήποτε από τις όψεις του, ο κάτοικος ενός τέτοιου κόσμου θα δει το κεφάλι του και όχι το πρόσωπό του, όπως στο γήινο δωμάτιο του γέλιου. Ένα πιο σωστό μοντέλο θα ήταν ένα δωμάτιο εξοπλισμένο με 6 κάμερες τηλεόρασης και 6 επίπεδες οθόνες LCD, οι οποίες εμφανίζουν την εικόνα που τραβήχτηκε από την κάμερα φιλμ που βρίσκεται απέναντι. Σε αυτό το μοντέλο, ο ορατός κόσμος κλείνει στον εαυτό του λόγω της εξόδου σε μια άλλη τηλεοπτική διάσταση.

Η εικόνα της καταστολής των αρμονικών χαμηλής συχνότητας που περιγράφεται παραπάνω είναι σωστή εάν ο χρόνος για τον οποίο το φως διασχίζει 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 τμήματος του Σύμπαντος που είναι προσβάσιμο για παρατήρηση (ο λεγόμενος ορίζοντας του Σύμπαντος) αποδειχθούν μικρότερες από τις διαστάσεις του αρχικού τοπολογικού όγκου, τότε η κατάσταση δεν θα διαφέρει σε καμία περίπτωση από αυτό που βλέπουμε στο το συνηθισμένο άπειρο Σύμπαν του Αϊνστάιν και δεν θα παρατηρηθούν ανωμαλίες στο φάσμα CMB.

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 μεγάλης κλίμακας γωνιακών διακυμάνσεων, πράγμα που σημαίνει ότι μελετώντας το υπόβαθρο του λειψάνου, μπορεί κανείς να εκτιμήσει 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 διαθέτει τέτοιες ιδιότητες. Σε αυτή την περίπτωση, τα γωνιακά φάσματα που ελήφθησαν στο πείραμα WMAP συμφωνούν καλύτερα με το δωδεκαεδρικό μοντέλο του Σύμπαντος. Αυτό το κανονικό πολύεδρο, που έχει 12 πενταγωνικές όψεις, μοιάζει με μπάλα ποδοσφαίρου ραμμένη από πενταγωνικά μπαλώματα. Αποδεικνύεται ότι σε ένα χώρο με μικρή θετική καμπυλότητα, τα κανονικά δωδεκάεδρα μπορούν να γεμίσουν ολόκληρο τον χώρο χωρίς τρύπες και αμοιβαίες τομές. Με μια ορισμένη αναλογία μεταξύ του μεγέθους του δωδεκάεδρου και της καμπυλότητας, χρειάζονται 120 σφαιρικά δωδεκάεδρα για αυτό. Επιπλέον, αυτή η πολύπλοκη δομή εκατοντάδων «μπάλων» μπορεί να αναχθεί σε μια τοπολογικά ισοδύναμη, αποτελούμενη από ένα μόνο δωδεκάεδρο, στο οποίο εντοπίζονται αντίθετες όψεις που περιστρέφονται κατά 180 μοίρες.

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

Για έναν απλό κάτοικο της Γης, όλες αυτές οι τοπολογικές περιπλοκές με την πρώτη ματιά δεν έχουν πολύ νόημα. Αλλά για τους φυσικούς και τους φιλοσόφους, είναι 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 έχει 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.

Sounding Plasma
Στο φάσμα διακύμανσης 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 ελήφθησαν στο πείραμα WMAP και μόνο για τις υψηλότερες αρμονικές προστίθενται τα αποτελέσματα των μελετών CBI (μπαλόνι) και ACBAR (ανταρκτικό έδαφος). Στην κανονικοποιημένη γραφική παράσταση του γωνιακού φάσματος των διακυμάνσεων της ακτινοβολίας των λειψάνων φαίνονται αρκετά μέγιστα. Πρόκειται για τις 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 πέφτει στο μέγεθος της αιτιολογικά σχετιζόμενης περιοχής (ηχητικός ορίζοντας) τη στιγμή του ανασυνδυασμού. Σε μικρότερες κλίμακες, οι ταλαντώσεις του πλάσματος εξασθενούσαν από το ιξώδες των φωτονίων, ενώ σε μεγαλύτερες κλίμακες, οι διαταραχές ήταν ανεξάρτητες μεταξύ τους και δεν ήταν σε φάση. Επομένως, οι μέγιστες διακυμάνσεις που παρατηρούνται στη σύγχρονη εποχή πέφτουν στις γωνίες στις οποίες είναι ορατός σήμερα ο ηχητικός ορίζοντας, 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 για τις κοσμολογικές παραμέτρους περιέχονται στη δεύτερη και τις επόμενες ακουστικές κορυφές. Η ίδια η ύπαρξή τους αντικατοπτρίζει το γεγονός της «φάσης» των ακουστικών ταλαντώσεων στο πλάσμα στην 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 συμβεί μια τέτοια αιτιώδης σχέση διακυμάνσεων σε διαφορετικές κλίμακες, αυτές οι (πολύ μακριά η μία από την άλλη) περιοχές πρέπει να ήταν σε θέση να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους. Είναι αυτή 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 βαριές επιβεβαιώσεις αυτού του σεναρίου.

Οι παρατηρήσεις της ακτινοβολίας των λειψάνων πραγματοποιήθηκαν σε μια 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 έχει 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 σχηματίζουν 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 της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων 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 ίδιοι και συμμετρικοί μόνο για έναν παρατηρητή που είναι ακίνητος σε σχέση με το φόντο του φόντου. Η Γη, από την άλλη, κινείται σε σχέση με αυτήν με αρκετά υψηλή ταχύτητα, εξαιτίας της οποίας εμφανίζεται ένα σημαντικό διπολικό συστατικό στην ακτινοβολία του φόντου. Σε αυτή την περίπτωση, οι κύκλοι μετατρέπονται σε ελλείψεις, το μέγεθός 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 στρεβλώσεων και η ακρίβεια των δεδομένων που είναι διαθέσιμα σήμερα καθίσταται ανεπαρκής οι νέες παρατηρήσεις που χρειάζονται για να βοηθήσουμε να καταλάβουμε αν υπάρχουν ή όχι.

Πολυσυνδεδεμένος πληθωρισμός

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 της εξέλιξης 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 μάλλον ανομοιογενές. Στη συνέχεια, στη διαδικασία του πληθωρισμού, όταν το Σύμπαν επεκτάθηκε σύμφωνα με έναν νόμο κοντά στην εκθετική, οι αρχικές του διαστάσεις αυξήθηκαν κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Σήμερα βλέπουμε μόνο ένα μικρό μέρος του Μεγάλου Σύμπαντος, στο οποίο εξακολουθούν να υπάρχουν ετερογένειες. Είναι αλήθεια ότι έχουν τόσο μεγάλη χωρική έκταση που είναι αόρατα μέσα στην προσβάσιμη σε εμάς περιοχή. Το πληθωριστικό σενάριο είναι μακράν η καλύτερα αναπτυγμένη κοσμολογική θεωρία.

Για ένα πολύ συνδεδεμένο σύμπαν, μια τέτοια ακολουθία γεγονότων δεν είναι κατάλληλη. 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 πολλαπλή συνδεσιμότητα του Σύμπαντος μας είναι ήδη σαφείς: πρόκειται για μη πληθωριστικά μοντέλα και τα λεγόμενα μοντέλα με ασθενή πληθωρισμό, στα οποία το μέγεθος του σύμπαντος κατά τον πληθωρισμό αυξάνεται μόνο μερικές φορές (ή δεκάδες φορές). 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 συστατικά τετραπόλων και οκταπόλων της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων έχουν στενούς προσανατολισμούς μεταξύ τους και βρίσκονται σε ένα επίπεδο που σχεδόν συμπίπτει με τον γαλαξιακό ισημερινό. Το συμπέρασμα αυτής της ομάδας είναι ότι υπήρξε σφάλμα κατά την αφαίρεση του φόντου του Γαλαξία από τα δεδομένα των παρατηρήσεων του μικροκυματικού υποβάθρου και το πραγματικό μέγεθος των αρμονικών είναι εντελώς διαφορετικό.

Οι παρατηρήσεις WMAP πραγματοποιήθηκαν σε 5 διαφορετικές συχνότητες ειδικά για να διαχωριστούν σωστά το κοσμολογικό και το τοπικό υπόβαθρο. Και η βασική ομάδα του WMAP πιστεύει ότι η επεξεργασία των παρατηρήσεων έγινε σωστά 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 έκανε συνεχείς παρατηρήσεις για τέσσερα χρόνια, οι οποίες θα έπρεπε να είναι αρκετές για να διπλασιαστεί η ακρίβεια, αλλά αυτά τα δεδομένα δεν έχουν ακόμη δημοσιευθεί. Πρέπει να περιμένουμε λίγο και ίσως οι υποθέσεις μας σχετικά με τη δωδεκαεδρική τοπολογία του Σύμπαντος να γίνουν αρκετά πειστικές.

Mikhail Prokhorov, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν ασχολείται με τη μελέτη της γεωμετρίας του 4-διάστατου χωροχρόνου. Ωστόσο, το ζήτημα της μορφής (γεωμετρίας) του ίδιου του τρισδιάστατου χώρου παραμένει μέχρι στιγμής ασαφές.

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 σε όλο τον κόσμο γύρω από τη Γη). Τέλος, ο χώρος με τη μορφή υπερβολοειδούς αντιστοιχεί σε μια ανοιχτή τρισδιάστατη πολλαπλότητα στην οποία το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι πάντα μικρότερο από 180 μοίρες. Έτσι, η μελέτη μόνο της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος δεν επιτρέπει σε κάποιον να προσδιορίσει με σαφήνεια τη γεωμετρία του τρισδιάστατου χώρου, αλλά μειώνει σημαντικά τις πιθανές επιλογές.

Η πρόοδος σε αυτό το τεύχος επιτρέπει τη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, την πιο ακριβή κοσμολογική παρατηρήσιμη αυτή τη στιγμή. 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 του CMB. 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 μιας 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 αντικατασταθεί από τη συστολή, ακολουθούμενη από την κατάρρευση του σύμπαντος και πάλι σε μια μοναδικότητα. 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, ενώ η συμβολή της καμπυλότητας θα μειωθεί. Αυτό σημαίνει ότι η γεωμετρία μιας τρισδιάστατης πολλαπλότητας πιθανότατα δεν θα έχει ποτέ σημαντική επίδραση 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 θα μπορέσουν να ρίξουν φως στη μελλοντική μοίρα του Σύμπαντος.