Wszechświat to pozornie niekończące się morze pełne gwiazd, galaktyk i mgławic. Widzimy w nim wzory i konstelacje, które inspirowały historie w całej historii. Ale jest jeden kosmiczny wzór, którego wciąż nie rozumiemy. Pytanie, na które nie ma odpowiedzi: jaki jest kształt wszechświata? Myśleliśmy, że wiemy, ale nowe badania sugerują coś innego i może to wskazywać na kryzys w kosmologii.
Wielu wczesnych astronomów twierdziło, że wszechświat jest kulą gwiazd, otaczającą Układ Słoneczny i skupioną na nieruchomej, nieruchomej Ziemi. Ale przez stulecia astronomowie odkryli, że nasze Słońce jest zaledwie jednym z miliardów w obrębie galaktyki, a niezliczone galaktyki są rozrzucone na miliardy lat świetlnych przestrzeni. Pytanie o kształt stworzenia wydawało się sporne. Gwiazdy i galaktyki istniały w pustej przestrzeni. To, co może być przestrzenią, może być pustym płótnem: płaskim, euklidesowym i pozbawionym struktury.
Następnie na początku XX wieku Albert Einstein rozwinął swoją teorię ogólnej teorii względności. W nim przestrzeń nie była pustym płótnem. Mógł zginać się i rozciągać, skręcać i deformować w zależności od położenia i ruchu masy we wszechświecie. Te przestrzenne deformacje odbiły światło i materię, powodując efekt, który nazywamy grawitacją. Dzięki względności przestrzeń może przybierać różne kształty. Możliwe więc, że wszechświat może mieć ogólny kosmiczny kształt, tak jak Ziemia jest ogólnie okrągła.
Bardzo ogólnie ogólna teoria względności pozwoliłaby, aby wszechświat miał jeden z trzech kształtów: płaski, zamknięty lub otwarty.
Mieszkanie to sposób, w jaki myślimy o przestrzeni w naszym codziennym życiu. To przestrzeń euklidesowa, o której uczymy się w szkole. Płaska przestrzeń rozciąga się równomiernie we wszystkich kierunkach, a dwie równoległe wiązki światła na zawsze pozostaną równoległe.
Otwarta przestrzeń może być wyobrażona jako siodłowa. Wygina się w taki sposób, że rozchodzi się, gdy wysuwasz się na zewnątrz. Dwie wiązki światła początkowo równoległe stopniowo rozchodzą się, odwracając się nieznacznie od siebie, gdy przemierzają kosmos.
Zamknięta przestrzeń jest zasadniczo kulista. Zbiega się, gdy się rozciąga, tak że równoległe wiązki światła ostatecznie się spotkają i przecinają, jak linie długości geograficznej na Ziemi.
Należy wspomnieć, że żaden z nich nie ma do czynienia z faktem, że wszechświat jako całość się rozszerza. Ekspansja kosmiczna oznacza, że punkty w przestrzeni rozsuwają się w czasie. Kształt wszechświata dotyczy kształtu przestrzeni. Balon sferyczny może się rozszerzać podczas nadmuchiwania, podobnie jak płaski arkusz gumy można rozciągać i pozostawać płaski. Zatem nasz rozszerzający się wszechświat może być płaski, otwarty lub zamknięty.
Ponieważ na krzywiznę przestrzeni wpływa obecność masy, ogólny kształt wszechświata zależy od średniej gęstości materii w nim zawartej. W ogólnej teorii względności wartość tę określa parametr gęstości, który jest stosunkiem gęstości obserwowanej do „gęstości krytycznej” potrzebnej do płaskości wszechświata. Jeśli parametr gęstości wynosi 1, wówczas wszechświat jest płaski. Jeśli jest większa niż 1, jest zamknięta i otwarta, jeśli parametr gęstości jest mniejszy niż 1. Pomiary gęstości kosmicznej konsekwentnie dawały wartość 1. Do granic obserwacji wszechświat jest płaski, jak długo podejrzewaliśmy .
Istnieje jednak inny sposób zmierzenia kształtu kosmosu, a mianowicie przyjrzenie się pozornej wielkości bardzo odległych obiektów. Wszystko wraca do zachowania równoległych wiązek światła. W płaskim wszechświecie równoległe linie pozostają równoległe, więc światło pochodzące z dwóch stron odległej galaktyki dociera do nas w linii prostej. Ich kąty względem siebie pozostają takie same, a zatem galaktyka wygląda jak prawdziwa wielkość.
Jeśli wszechświat jest otwarty, linie równoległe rozchodzą się z odległością. Tak więc światło z naszej odległej galaktyki staje się bardziej równoległe, gdy dociera do nas. Oznacza to, że galaktyka wydaje się mniejsza niż jest. Jeśli wszechświat zostanie zamknięty, nastąpi przeciwne zgięcie światła, a galaktyka wydaje się większa niż jest.
W nowej pracy opublikowanej w Natura, zespół nie przyjrzał się galaktykom, ale raczej fluktuacjom w tle Kosmicznej Mikrofali (CMB). The CMB jest pozostałością światła z Wielkiego Wybuchu i jest najbardziej odległym światłem, jakie możemy zobaczyć we wszechświecie. Z tego powodu jest to światło najbardziej dotknięte kształtem wszechświata. Skala fluktuacji w CMB zależy od ilości ciemnej materii i ciemnej energii we wszechświecie, którą znamy, więc wiemy, jak duże powinny się pojawiać wahania. Kiedy zespół przeanalizował CMB Dane ze statku kosmicznego Plank wykazały, że wahania były większe niż oczekiwano. Oznacza to, że z 99% pewnością wszechświat jest zamknięty, a nie płaski.
Te nowe badania zaprzeczają licznym wcześniejszym badaniom pokazującym, że wszechświat jest płaski. Może występować systematyczny błąd w danych Plancka, który sprawia, że wszechświat wygląda na zakrzywiony, ale jeśli badania są dokładne, wskazuje to na lukę w naszym rozumieniu. Na razie kształt wszechświata jest niejasny.
Źródło: Dowody Plancka na zamknięty Wszechświat i możliwy kryzys w kosmologii, Di Valentino, E., i in.
