Wszechświat może być gigantyczną pętlą

Wszystko, co naszym zdaniem wiemy o kształcie wszechświata, może być błędne. Według nowego badania nasz wszechświat zamiast być płaski jak prześcieradło, może być zakrzywiony jak masywny nadmuchany balon.

To wynik nowego artykułu opublikowanego dzisiaj (4 listopada) w czasopiśmie Nature Astronomy, który analizuje dane z kosmicznego tła mikrofalowego (CMB), słabego echa Wielkiego Wybuchu. Ale nie wszyscy są przekonani; nowe ustalenia, oparte na danych opublikowanych w 2018 r., są sprzeczne zarówno z tradycyjną mądrością, jak i innym niedawnym badaniem opartym na tym samym zestawie danych CMB.

Jeśli wszechświat jest zakrzywiony, zgodnie z nowym artykułem, zakrzywia się delikatnie. To powolne gięcie nie jest ważne dla poruszania się po naszym życiu, układzie słonecznym, a nawet naszej galaktyce. Ale podróżuj poza tym wszystkim, poza naszą galaktyczną dzielnicę, daleko w głęboką czerń, a ostatecznie - poruszając się w linii prostej - zapętlisz się i skończysz tam, gdzie zacząłeś. Kosmolodzy nazywają tę ideę „zamkniętym wszechświatem”. Jest już od jakiegoś czasu, ale nie pasuje do istniejących teorii działania wszechświata. Zostało więc w dużej mierze odrzucone na korzyść „płaskiego wszechświata”, który rozciąga się bez granic we wszystkich kierunkach i nie krąży wokół siebie. Teraz anomalia w danych z najlepszego w historii pomiaru CMB dostarcza solidnych (ale nie absolutnie rozstrzygających) dowodów na to, że wszechświat jest zamknięty, jak twierdzą autorzy: kosmolog z University of Manchester Eleonora Di Valentino, kosmolog z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie Alessandro Melchiorri i kosmolog z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa Joseph Silk.

Melchiorri powiedział Live Science, że różnica między zamkniętym i otwartym wszechświatem przypomina różnicę między rozciągniętym płaskim arkuszem a napompowanym balonem. W obu przypadkach całość się rozwija. Kiedy arkusz rozszerza się, każdy punkt odsuwa się od każdego innego punktu w linii prostej. Kiedy balon jest napełniany, każdy punkt na jego powierzchni oddala się od każdego innego punktu, ale jego krzywizna sprawia, że ​​geometria tego ruchu jest bardziej skomplikowana.

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

W otwartym, płaskim wszechświecie fotony, pozostawione bez zakłóceń, podróżowałyby wzdłuż swoich równoległych przebiegów bez interakcji.

Melchiorri powiedział, że konwencjonalny model inflacji wszechświata sugeruje, że wszechświat powinien być płaski. Przewiń ekspansję przestrzeni aż do początku, do pierwszych 0,0000000000000000000000001 sekund po Wielkim Wybuchu, zgodnie z tym modelem, a zobaczysz moment niesamowitej, wykładniczej ekspansji, gdy przestrzeń wyrosła z tego nieskończenie małego punktu, w którym zaczął się. A fizyka tej superszybkiej ekspansji wskazuje na płaski wszechświat. To pierwszy powód, dla którego większość ekspertów uważa, że ​​wszechświat jest płaski, powiedział. Jeśli wszechświat nie jest płaski, musisz „dostroić” fizykę tego pierwotnego mechanizmu, aby wszystko pasowało do siebie - i powtórzyć niezliczone inne obliczenia w tym procesie, powiedział Melchiorri.

Ale może to okazać się konieczne, autorzy napisali w nowym badaniu.

To dlatego, że w CMB występuje anomalia. CMB to najstarsza rzecz, jaką widzimy we wszechświecie, wykonana z otaczającego światła mikrofalowego, które wypełnia całą przestrzeń, gdy blokujesz gwiazdy i galaktyki oraz inne zakłócenia. Jest to jedno z najważniejszych źródeł danych na temat historii i zachowania wszechświata, ponieważ jest ono tak stare i tak rozłożone w przestrzeni kosmicznej. Okazuje się, zgodnie z najnowszymi danymi, że CMB ma znacznie więcej „soczewkowania grawitacyjnego” niż się spodziewano - co oznacza, że ​​grawitacja wydaje się wyginać mikrofale CMB bardziej, niż może to wyjaśnić istniejąca fizyka.

Dane, na których opiera się zespół, pochodzą z wydania z 2018 r. Z eksperymentu Plancka - eksperymentu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) w celu bardziej szczegółowego odwzorowania CMB niż kiedykolwiek wcześniej. (Nowe dane zostaną opublikowane w nadchodzącym numerze czasopisma Astronomy & Astrophysics i są już dostępne na stronie internetowej ESA. Zarówno Di Valentino, jak i Melchiorri również wzięły udział w tym przedsięwzięciu.)

Aby wyjaśnić to dodatkowe soczewkowanie, w ramach współpracy Plancka wprowadzono właśnie dodatkową zmienną, którą naukowcy nazywają „A_lens”, do grupowego modelu formowania się wszechświata: „Jest to coś, co umieszczacie tam ręcznie, próbując wyjaśnić, co widzisz. Nie ma związku z fizyką - powiedział Melchiorri, co oznacza, że ​​nie ma parametru A_lens w teorii względności Einsteina. „Odkryliśmy, że możesz wyjaśnić A_lens pozytywnie zakrzywionym wszechświatem, co jest znacznie bardziej fizyczną interpretacją, którą można wyjaśnić ogólną teorią względności”.

Melchiorri wskazał, że interpretacja jego zespołu nie jest rozstrzygająca. Zgodnie z obliczeniami grupy, dane Plancka wskazują na zamknięty wszechświat ze standardowym odchyleniem 3,5 sigma (pomiar statystyczny, który oznacza około 99,8% pewności, że wynik nie jest przypadkowy). To znacznie mniej niż 5 sigma, których zwykle szukają fizycy, zanim zadzwoni do pomysłu potwierdzonego.

Ale niektórzy kosmolodzy stwierdzili, że istnieje jeszcze więcej powodów do sceptycyzmu.

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

W tym artykule kosmolodzy z University of Cambridge George Efstathiou i Steven Gratton, którzy pracowali także nad Planck Collaboration, przyjrzeli się węższemu podzbiorowi danych niż artykuł Nature Astronomy. Ich analiza poparła także zakrzywiony wszechświat, ale ze znacznie mniejszą pewnością statystyczną niż Di Valentino, Melchiorri i Silk obserwowali większy segment danych Plancka. Jednak gdy Efstathiou i Graton spojrzeli na dane wraz z dwoma innymi istniejącymi zbiorami danych z wczesnego wszechświata, odkryli, że ogólnie dowody wskazują na płaski wszechświat.

Zapytany o pracę Efstathiou i Gratton, Melchiorri pochwalił staranne potraktowanie pracy. Powiedział jednak, że analiza duetu opiera się na zbyt małym segmencie danych Plancka. Zwrócił także uwagę, że ich badania opierają się na zmodyfikowanej (i teoretycznie ulepszonej) wersji danych Plancka - nie na publicznym zbiorze danych, który zweryfikowało ponad 600 fizyków.

Linde wskazał na tę ponowną analizę jako znak, że praca Efstathiou i Grattona była oparta na lepszych metodach.

Efstathiou poprosił, aby nie zacytować go bezpośrednio, ale zwrócił uwagę w e-mailu do Live Science, że gdyby wszechświat był zakrzywiony, spowodowałoby to szereg problemów - sprzecznych z tymi innymi zbiorami danych z wczesnego wszechświata i powodujących rozbieżności w obserwowanym tempie wszechświata ekspansja znacznie gorsza. Gratton powiedział, że się zgodził.

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

„Nie chcę powiedzieć, że wierzę w zamknięty wszechświat” - powiedział. „Jestem trochę bardziej neutralny. Powiedziałbym, poczekajmy na dane i to, co powie nowe dane. Wierzę, że teraz jest rozbieżność, że musimy być ostrożni i spróbować znaleźć to, co jest powodując tę ​​rozbieżność ”.