Большинство современных космологических моделей описывает Вселенную как пространство с определенной геометрией — плоской, положительно или отрицательно искривленной (то есть похожей на плоскость, сферу или «седло» соответственно). Однако геометрия и топология не одно и то же. Первая описывает, как пространство «изгибается» в малых масштабах, а вторая — как оно устроено в целом. Поэтому пространство с одинаковой геометрией может иметь разную глобальную структуру. В зависимости от сочетания геометрии и топологии Вселенная может быть как бесконечной, так и конечной, но при этом не иметь границ.

Астрономы могут изучать лишь наблюдаемую Вселенную — область космоса, свет из которой успел дойти до нас за все время его существования. По современным оценкам, основанным на данных космических миссий WMAP и Planck, диаметр наблюдаемой Вселенной составляет около 93 миллиардов световых лет. Все, что за пределами этой области, пока недоступно прямым наблюдениям. Поэтому судить о глобальном устройстве космоса ученые могут лишь по косвенным признакам внутри наблюдаемой части Вселенной.

Новый обзор международной коллаборации COMPACT, подготовленный для журнала Nature Astronomy, посвящен поиску таких признаков. Его авторы подвели итоги десятилетий исследований космической топологии — раздела космологии, изучающего глобальную форму пространства. Если Вселенная действительно «замкнута» особым образом, свет от далеких объектов может распространяться по нескольким маршрутам и достигать наблюдателя с разных сторон. В этом случае в принципе могут возникать повторяющиеся изображения одних и тех же областей космоса.

Такие эффекты рассматривают как возможные проявления сложной глобальной структуры пространства — так называемой нетривиальной топологии, при которой пространство может быть устроено куда сложнее, чем в простейших космологических моделях. 

Одним из главных инструментов поиска таких эффектов остается реликтовое излучение — слабое микроволновое свечение, сохранившееся со времен, когда Вселенной было около 380 тысяч лет. Поскольку оно заполняет все небо, любые особенности глобальной структуры пространства должны оставлять в нем характерные следы.

Самым известным методом долго оставался поиск так называемых совпадающих кругов. Суть в том, что если пространство замкнуто определенным образом, наблюдатель может видеть одну и ту же область ранней Вселенной в разных направлениях. Тогда на карте реликтового излучения должны появляться пары кругов с одинаковым рисунком температурных колебаний. 

Хотя подобные сигналы искали в данных спутников WMAP и Planck, убедительных признаков сложной глобальной структуры пространства обнаружить не удалось. Это, однако, не означает, что такая возможность вообще исключена. Большинство анализов охватывали лишь ограниченный набор моделей и не рассматривали все разнообразие возможных форм пространства.

Более того, признаки нетривиальной топологии могут проявляться не только в виде совпадающих кругов. Различные варианты глобального устройства Вселенной должны оставлять более тонкие статистические следы в реликтовом излучении — например, создавать необычные корреляции между удаленными участками неба. Разработанные в последние годы математические методы поиска таких эффектов показали, что их чувствительность может быть много выше прежних подходов.

В этом плане особенно интересны наблюдения поляризации реликтового излучения — особого рисунка в древнем свете Вселенной, сохранившего информацию о ее ранней истории. Готовящаяся космическая миссия LiteBIRD, например, сможет измерить ее с беспрецедентной точностью. Если топологические эффекты действительно присутствуют, новые данные помогут их обнаружить.

То же верно в отношении крупных обзоров распределения галактик, с помощью которых можно исследовать структуру наблюдаемой Вселенной уже не на двумерной карте неба, а в трех измерениях. 

На сегодня ни одна из гипотез нетривиальной топологии не получила подтверждения. Авторы обзора, однако, оставили этот вопрос открытым. Если же будущие наблюдения помогут выявить ее признаки, это станет одним из важнейших открытий современной науки и позволит впервые определить не только геометрию, но и глобальную форму Вселенной.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK