Според ново астрофизично изследване нашата Вселена може да не се разширява навън във всички посоки. Вместо това може да се увива около себе си като гигантска космическа поничка.

Представете си вселена, в която можете да насочите космически кораб в една посока и в крайна сметка да се върнете там, откъдето сте тръгнали. Ако нашата Вселена бе крайна по размер поничка, тогава подобни пътешествия биха били възможни и физиците биха могли потенциално да измерят нейния размер.

„Бихме могли да кажем: Сега знаем размера на Вселената“, отбелязва за Live Science астрофизикът Тома Бушер (Thomas Buchert) от Университета в Лион, Център за астрофизични изследвания във Франция.

Изследвайки светлината от много ранната Вселена, Бушер и екип от астрофизици стигат до извода, че нашият космос може да е многосвързано пространство*, което означава, че е затворено в себе си във всичките три измерения като триизмерна поничка.

*Едносвързано пространство е такова топологическо пространство, в което всеки затворен път може безпрепятствено да се свие на точка. Можем да си представим изключително еластичен затворен ластик, от тези, които слагат на връзките магданоз. За да имаме свойството "едносвързаност", ще трябва такъв ластик, където и да го поставим на повърхността на едно тяло, без да го отлепваме от нея, да може да се свие до точка. Една повърхност е k-свързана, ако върху нея може да се прекара k-1 затворена крива, която не я дели на две части. Сферата е едносвързана: винаги се разрязва на две; но повърхността на тора е двусвързана - можем да го разрежем напряко, ще се превърне в цилиндър, но ще запази целостта си (но при повторно разрязване вече ще се разпадне на 2 части).

Но върху тор (поничка) това не става - "гуменият" пръстен никога не може да се събере в точка:

Такава Вселена би била крайна и според резултатите на екипа на Бушер целият ни космос може да е само около три до четири пъти по-голям от границите на наблюдаваната Вселена, отдалечена на около 45 милиарда светлинни години.

И макар че идеята не е окончателно доказана, тя има някои интересни последици за структурата, поведението и крайната съдба на нашата Вселена.

Ако хипотезата за вселена на понички се окаже вярна, това би означавало няколко важни неща.

Геометрията на Вселената диктува нейната съдба

В продължение на десетилетия астрономите обсъждат естеството на формата на Вселената: дали нашата Вселена е „плоска“ (което означава, че въображаеми успоредни линии ще останат успоредни завинаги), „затворена“ (успоредните линии в крайна сметка ще се пресекат) или „отворена“ (тези линии ще се разделят).

Тази геометрия на Вселената диктува нейната съдба. Плоските и отворени вселени ще продължат да се разширяват завинаги, докато затворената вселена в крайна сметка ще колапсира в себе си, ще се смачка.

Множество наблюдения, особено от космическия микровълнов фон (светлинната, изпусната, когато нашата Вселена е била само на 380 000 години), твърдо са установили, че живеем в плоска Вселена. Паралелните линии остават успоредни и нашата Вселена просто ще продължи да се разширява.

Но има и още нещо важно за формата на Вселената - нейната топология, т.е. начинът, по който фигурите могат да се променят, като същевременно се запазват същите геометрични правила.

За  топологията чашата за кафе и геврекът са еквивалентни. 

Например вземете лист хартия. Очевидно е плосък - паралелните линии остават успоредни. Сега вземете двата ръба на тази хартия и я навийте като цилиндър. Успоредните линии все още са успоредни - цилиндрите са геометрично плоски. Сега вземете противоположните краища на цилиндричната хартия и ги свържете. Това прави формата на поничка, която също е геометрично плоска.

Докато нашите измервания на съдържанието и формата на Вселената ни казват нейната геометрия - тя е плоска - те не ни казват нищо за топологията й. Те не ни казват дали нашата Вселена е многосвързана, което означава, че едно или повече измерения на нашия космос се свързват помежду си.

Докато една напълно плоска Вселена ще се простира до безкрайност, една плоска Вселена с многосвързана топология ще има краен размер. Ако можехме по някакъв начин да определим дали едно или повече измерения са усукани около себе си, тогава щяхме да знаем, че Вселената е ограничена в това измерение. След това можем да използваме тези наблюдения за измерване на общия обем на Вселената.

Но как би се разкрила една многосвързана вселена?

Екипът астрофизици от Университета в Улм, Германия и Университета в Лион във Франция се обръща към космическия микровълнов фон (CMB). Когато CMB е бил освободен, нашата Вселена е била милион пъти по-малка, отколкото е днес, и така, ако нашата Вселена наистина е многосвързана, тогава е много по-вероятно да се усуче в рамките на наблюдаемите граници на космоса тогава. Днес, поради разширяването на Вселената, е много по-вероятно усукването да се случва в мащаб над наблюдаемите граници и затова би било много по-трудно да се открие. Наблюденията на CMB ни дават най-добрия шанс да видим отпечатъците на една многосвързана вселена.

Екипът специално разглежда пертурбациите - физически термин за пикове и колебания - в температурата на CMB. Ако едно или повече измерения в нашата Вселена се свързват обратно със себе си, пертурбациите не биха могли да бъдат по-големи от разстоянието около тези особености. Те просто не биха се побрали.

"В безкрайно пространство пертурбациите в температурата на CMB лъчението съществуват във всички мащаби. Ако обаче пространството е ограничено, тогава ще липсват тези дължини на вълните, които са по-големи от размера на пространството", обяснява Бушер.

С други думи: Ще има максимален размер на пертурбациите, който може да разкрие топологията на Вселената.

Осъществяване на връзката

Картите на CMB, направени със сателити като WMAP на НАСА и Planck на ЕКА, вече са забелязали интригуващо количество липсващи пертурбации в голям мащаб. Бушер и неговите сътрудници изследват дали тези липсващи пертурбации може да се дължат на многосвързана вселена. За целта екипът извършва много компютърни симулации на това как би изглеждал CMB, ако Вселената е триизмерен тор, което е математическото наименование на гигантска триизмерна поничка, в която нашето пространство е свързано със себе си във всичките три измерения.

"Следователно трябва да правим симулации в дадена топология и да сравняваме с наблюдаваното", обяснява Бушер. „Свойствата на наблюдаваните колебания на CMB след това показват „липсваща сила“ в мащаби, надхвърлящи размера на Вселената“.

Липсваща мощност означава, че колебанията в CMB не присъстват в тези мащаби. Това би означавало, че нашата Вселена е многосвързана и ограничена в този размер.

"Намираме много по-добро съответствие с наблюдаваните колебания в сравнение със стандартния космологичен модел, който смята Вселената за безкрайна", добавя астрофизикът.

"Можем да варираме размера на пространството и да повторим този анализ. Резултатът е оптимален размер на Вселената, който най-добре отговаря на CMB наблюденията. Това, което казва нашата статия, е ясно - крайната вселена съвпада с наблюденията по-добре от безкрайния модел. Бихме могли да кажем: Сега знаем размера на Вселената".

Екипът установи, че многосвързаната вселена, около три до четири пъти по-голяма от нашия наблюдаем балон, най-добре отговаря на данните за CMB. Въпреки че този резултат технически означава, че може да пътуваме в една посока и да се озовем там, откъдето сме започнали, в действителност не бихме могли да постигнем това. Живеем в разширяваща се Вселена и в големи мащаби Вселената се разширява със скорост, която е по-бърза от скоростта на светлината, така че никога не бихме могли да наваксаме и завършим цикъла.

Бушер подчертава, че резултатите все още са предварителни. Ефектите на инструмента също могат да обяснят липсващите колебания в голям мащаб.

И все пак е забавно да си представим как живеем на повърхността на гигантска поничка.

Източник: Our universe might be a giant three-dimensional donut, really.
Paul Sutter, Live Science