Wszechświat może być gigantyczną pętlą

Wszystko, co sądzimy, że wiemy o kształcie wszechświata, może być błędne. Zamiast być płaski jak prześcieradło, nasz wszechświat może być zakrzywiony, jak masywny, nadmuchany balon, zgodnie z nowym badaniem.

Taki jest wniosek z nowej pracy opublikowanej dzisiaj (4 listopada) w czasopiśmie Nature Astronomy, która przygląda się danym z kosmicznego mikrofalowego tła (CMB), słabego echa Wielkiego Wybuchu. Ale nie wszyscy są przekonani; nowe ustalenia, oparte na danych wydanych w 2018 roku, zaprzeczają zarówno latom konwencjonalnej mądrości, jak i innym niedawnym badaniom opartym na tym samym zestawie danych CMB.

Related: From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time

Jeśli wszechświat jest zakrzywiony, zgodnie z nową pracą, zakrzywia się delikatnie. To powolne zginanie nie jest ważne dla poruszania się po naszym życiu, układzie słonecznym, czy nawet naszej galaktyce. Ale podróżuj poza to wszystko, poza nasze galaktyczne sąsiedztwo, daleko w głęboką czerń, a w końcu – poruszając się w linii prostej – zapętlisz się i skończysz dokładnie tam, gdzie zacząłeś. Kosmolodzy nazywają ten pomysł „zamkniętym wszechświatem”. Pojawiła się ona już jakiś czas temu, ale nie pasuje do istniejących teorii funkcjonowania wszechświata. Została więc w dużej mierze odrzucona na rzecz „płaskiego wszechświata”, który rozciąga się bez granic w każdym kierunku i nie zapętla się wokół siebie. Teraz, anomalia w danych z najlepszego w historii pomiaru CMB oferuje solidny (ale nie absolutnie rozstrzygający) dowód na to, że wszechświat jest zamknięty, według autorów: University of Manchester kosmolog Eleonora Di Valentino, Sapienza University of Rome kosmolog Alessandro Melchiorri i Johns Hopkins University kosmolog Joseph Silk.

Różnica między zamkniętym a otwartym wszechświatem jest trochę jak różnica między rozciągniętym płaskim prześcieradłem a nadmuchanym balonem, Melchiorri powiedział Live Science. W obu przypadkach, cała rzecz się rozszerza. Kiedy prześcieradło się rozszerza, każdy punkt oddala się od każdego innego punktu w linii prostej. Kiedy balon jest nadmuchiwany, każdy punkt na jego powierzchni oddala się od każdego innego punktu, ale krzywizna balonu sprawia, że geometria tego ruchu jest bardziej skomplikowana.

„Oznacza to, na przykład, że jeśli masz dwa fotony i podróżują równolegle w zamkniętym wszechświecie, spotkają się”, powiedział Melchiorri.

W otwartym, płaskim wszechświecie, fotony, pozostawione bez zakłóceń, podróżowałyby wzdłuż ich równoległych kursów bez kiedykolwiek interacting.

Konwencjonalny model inflacji wszechświata, Melchiorri powiedział, sugeruje, że wszechświat powinien być płaski. Przewiń ekspansję przestrzeni aż do początku, do pierwszych 0,00000000000000000000000000001 sekund po Wielkim Wybuchu, zgodnie z tym modelem, a zobaczysz moment niewiarygodnej, wykładniczej ekspansji, gdy przestrzeń urosła z tego nieskończenie małego punktu, w którym się zaczęła. A fizyka tej superszybkiej ekspansji wskazuje na płaski wszechświat. To jest pierwszy powód, dla którego większość ekspertów wierzy, że wszechświat jest płaski, powiedział. Jeśli wszechświat nie jest płaski, musisz „dostroić” fizykę tego pierwotnego mechanizmu, aby wszystko pasowało do siebie – i przerobić niezliczone inne obliczenia w tym procesie, powiedział Melchiorri.

Ale to może skończyć się koniecznością, autorzy napisali w nowym badaniu.

To dlatego, że istnieje anomalia w CMB. CMB jest najstarszą rzeczą, jaką widzimy we wszechświecie, wykonaną z mikrofalowego światła otoczenia, które wypełnia całą przestrzeń, gdy blokuje się gwiazdy, galaktyki i inne zakłócenia. Jest to jedno z najważniejszych źródeł danych na temat historii i zachowania wszechświata, ponieważ jest tak stare i tak rozproszone w przestrzeni. I okazuje się, zgodnie z najnowszymi danymi, że jest znacznie więcej „soczewkowania grawitacyjnego” CMB niż oczekiwano – co oznacza, że grawitacja wydaje się zginać mikrofale CMB bardziej niż istniejąca fizyka może to wyjaśnić.

Dane, na których opiera się zespół, pochodzą z wydania z 2018 roku z eksperymentu Planck – eksperymentu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) mającego na celu mapowanie CMB bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej. (Nowe dane zostaną opublikowane w nadchodzącym wydaniu czasopisma Astronomy & Astrophysics i są dostępne już teraz na stronie internetowej ESA. Zarówno Di Valentino jak i Melchiorri byli częścią tego wysiłku.)

Aby wyjaśnić to dodatkowe soczewkowanie, Planck Collaboration właśnie dodała dodatkową zmienną, którą naukowcy nazywają „A_lens,” do modelu formowania się Wszechświata, „To jest coś, co wkładasz tam ręcznie, próbując wyjaśnić to, co widzisz. Nie ma żadnego związku z fizyką”, powiedział Melchiorri, co oznacza, że nie ma parametru A_lens w teorii względności Einsteina. „Co znaleźliśmy jest to, że można wyjaśnić A_lens z pozytywnie zakrzywiony wszechświat, który jest znacznie bardziej fizyczna interpretacja, że można wyjaśnić z ogólnej teorii względności.”

Melchiorri wskazał, że jego zespół interpretacja nie jest rozstrzygająca. Zgodnie z obliczeniami grupy, dane Plancka wskazują na zamknięty wszechświat z odchyleniem standardowym 3,5 sigma (pomiar statystyczny, który oznacza około 99,8% pewności, że wynik nie jest spowodowany przypadkiem). To dużo mniej niż standardowe 5 sigma, którego fizycy zazwyczaj szukają przed nazwaniem pomysłu potwierdzonym.

Ale niektórzy kosmolodzy powiedzieli, że jest jeszcze więcej powodów do sceptycyzmu.

Andrei Linde, kosmolog z Uniwersytetu Stanforda, powiedział Live Science, że papier Nature Astronomy nie wziął pod uwagę innego ważnego papieru, opublikowanego w bazie danych arXiv 1 października. (Ten artykuł nie został jeszcze opublikowany w recenzowanym czasopiśmie.)

W tym artykule, kosmolodzy z University of Cambridge George Efstathiou i Steven Gratton, którzy również pracowali w Planck Collaboration, spojrzeli na węższy podzbiór danych niż w artykule Nature Astronomy. Ich analiza również wspierała zakrzywianie się wszechświata, ale ze znacznie mniejszą pewnością statystyczną niż Di Valentino, Melchiorri i Silk, którzy znaleźli to, patrząc na większy segment danych z Plancka. Jednakże, kiedy Efstathiou i Graton spojrzeli na dane razem z dwoma innymi istniejącymi zestawami danych z wczesnego wszechświata, stwierdzili, że ogólnie rzecz biorąc, dowody wskazywały na płaski wszechświat.

Pytany o papier Efstathiou i Gratona, Melchiorri pochwalił ostrożne traktowanie pracy. Ale on powiedział, że analiza duetu opiera się na zbyt małym segmencie danych z Plancka. I wskazał, że ich badania opierają się na zmodyfikowanej (i, w teorii, ulepszonej) wersji danych Plancka – nie na publicznym zestawie danych, który ponad 600 fizyków poddało lustracji.

Linde wskazał na tę reanalizę jako znak, że papier Efstathiou i Grattona opierał się na lepszych metodach.

Efstathiou poprosił, aby nie być bezpośrednio cytowanym, ale wskazał w e-mailu do Live Science, że jeśli wszechświat byłby zakrzywiony, podniosłoby to szereg problemów – zaprzeczając tym innym zestawom danych z wczesnego wszechświata i czyniąc rozbieżności w obserwowanym tempie ekspansji wszechświata znacznie gorszym. Gratton powiedział, że on agreed.

Melchiorri również zgodził się, że model zamkniętego wszechświata podniósłby szereg problemów dla fizyki.

„Nie chcę powiedzieć, że wierzę w zamknięty wszechświat”, powiedział. „Jestem trochę bardziej neutralny. Powiedziałbym: poczekajmy na dane i na to, co powiedzą nowe dane. To, w co wierzę, to fakt, że istnieje teraz rozbieżność, że musimy być ostrożni i spróbować znaleźć to, co produkuje tę rozbieżność.”

• 11 Fascynujących Faktów o Naszej Galaktyce Drogi Mlecznej
• Big Bang to Civilization: 10 Amazing Origin Events
• Spaced Out! 101 Astronomy Photos That Will Blow Your Mind

Originally published on Live Science.

.