Представьте себе Вселенную, в которой вы можете направить космический корабль в одном направлении и в конце концов вернуться туда, откуда стартовали. Если бы наша Вселенная была маленькой по размеру, то такие движения были бы возможны, и физики могли бы измерить ее объем.
"Мы могли бы сказать: Теперь мы знаем размер Вселенной", - сказал в электронном письме Live Science астрофизик Томас Бухерт из Лионского университета, Центра астрофизических исследований во Франции.
Изучая свет из самой ранней Вселенной, Бухерт и группа астрофизиков пришли к выводу, что наш космос может быть многосвязным, то есть пространство замкнуто на себя во всех трех измерениях, как трехмерный пончик.
Такая Вселенная была бы конечной, и, согласно их результатам, весь наш космос может быть только в три-четыре раза больше, чем пределы наблюдаемой Вселенной, находящейся на расстоянии около 45 миллиардов световых лет.
Для объяснения Вселенной физики используют язык общей теории относительности Эйнштейна. Этот язык связывает содержимое пространства-времени с изгибами и искривлениями пространства-времени, которые затем сообщают этим содержимым, как взаимодействовать. Именно так мы ощущаем силу гравитации.
В космологическом контексте этот язык связывает содержимое всей Вселенной - темную материю, темную энергию, обычную материю, излучение и все остальное - с ее общей геометрической формой.
В течение десятилетий астрономы спорили о природе этой формы: является ли наша Вселенная "плоской" (это означает, что воображаемые параллельные линии будут оставаться параллельными всегда), "замкнутой" (параллельные линии в конце концов пересекутся) или "открытой" (эти линии будут расходиться).
Эта геометрия Вселенной диктует ее судьбу. Плоские и открытые Вселенные будут продолжать расширяться вечно, в то время как закрытая Вселенная в конечном итоге разрушится сама по себе.
Многочисленные наблюдения, особенно за космическим микроволновым фоном (вспышка света, возникшая, когда нашей Вселенной было всего 380 000 лет), твердо установили, что мы живем в плоской Вселенной. Параллельные линии остаются параллельными, и наша Вселенная будет продолжать расширяться.
Но форма - это не только геометрия. Есть еще топология, то есть то, как форма может меняться, сохраняя при этом одни и те же геометрические правила.
Например, возьмем плоский лист бумаги. Очевидно, что он плоский - параллельные линии остаются параллельными. Теперь возьмите два края этой бумаги и сверните ее в цилиндр. Эти параллельные линии по-прежнему параллельны: Цилиндры геометрически плоские. Теперь возьмите противоположные концы цилиндрической бумаги и соедините их. Получится форма пончика, который также является геометрически плоским.
Хотя наши измерения содержания и формы Вселенной говорят нам о ее геометрии - она плоская, - они не говорят нам о топологии. Они не говорят нам, является ли наша Вселенная многосвязной, что означает, что одно или несколько измерений нашего космоса соединяются друг с другом.
В то время как идеально плоская Вселенная простиралась бы до бесконечности, плоская Вселенная с многосвязной топологией имела бы конечный размер. Если бы мы могли как-то определить, что одно или несколько измерений закручиваются сами в себя, то мы бы знали, что Вселенная конечна в этом измерении. Затем мы могли бы использовать эти наблюдения для измерения общего объема Вселенной.
Группа астрофизиков из Ульмского университета в Германии и Лионского университета во Франции обратила внимание на космический микроволновый фон (CMB). Когда был получен CMB, наша Вселенная была в миллион раз меньше, чем сегодня, и поэтому, если наша Вселенная действительно многосвязна, то вероятность того, что она будет сворачиваться сама с собой в пределах наблюдаемых границ космоса, была гораздо выше.
Сегодня, в связи с расширением Вселенной, гораздо более вероятно, что сворачивание происходит в масштабах, выходящих за пределы наблюдаемых границ, и поэтому обнаружить сворачивание будет гораздо сложнее. Наблюдения за МГБ дают нам наилучший шанс увидеть отпечатки многократно связанной Вселенной.
Команда исследователей обратила особое внимание на возмущения - причудливый физический термин для обозначения ударов и колебаний - в температуре CMB. Если одно или несколько измерений в нашей Вселенной соединятся между собой, то возмущения не могут быть больше, чем расстояние вокруг этих петель. Они бы просто не поместились.
Как объяснил Бухерт, "в бесконечном пространстве возмущения в температуре излучения CMB существуют на всех масштабах. Однако если пространство конечное, то отсутствуют те длины волн, которые больше, чем размер пространства".
Другими словами: Существует максимальный размер возмущений, который может раскрыть топологию Вселенной.
На картах МДБ, составленных такими спутниками, как WMAP НАСА и Planck ЕКА, уже обнаружено интригующее количество отсутствующих возмущений в больших масштабах. Бухерт и его коллеги исследовали, могут ли эти отсутствующие возмущения быть вызваны многосвязной Вселенной.
Для этого команда провела множество компьютерных симуляций того, как выглядел бы МДБ, если бы Вселенная представляла собой три-торус - математическое название гигантского трехмерного пончика, в котором наш космос соединен сам с собой во всех трех измерениях.
"Поэтому мы должны провести моделирование в данной топологии и сравнить с тем, что наблюдается", - объяснил Бухерт. "Свойства наблюдаемых флуктуаций CMB показывают "недостающую мощность" на масштабах, превышающих размеры Вселенной".
Отсутствие мощности означает, что флуктуации в CMB не присутствуют на этих масштабах. Это означало бы, что наша Вселенная многосвязна и конечна на таких масштабах.
"Мы находим гораздо лучшее соответствие наблюдаемым флуктуациям по сравнению со стандартной космологической моделью, которая считается бесконечной", - добавил он.
"Мы можем варьировать размер пространства и повторить этот анализ. В результате мы получим оптимальный размер Вселенной, который наилучшим образом согласуется с наблюдениями CMB. Ответ нашей работы однозначен: конечная Вселенная лучше соответствует наблюдениям, чем бесконечная модель. Мы можем сказать: Теперь мы знаем размер Вселенной".
Команда обнаружила, что многосвязная Вселенная примерно в три-четыре раза больше, чем наш наблюдаемый пузырь, лучше всего соответствует данным CMB. Хотя этот результат технически означает, что вы можете путешествовать в одном направлении и оказаться там, откуда начали, в реальности вы не сможете этого сделать.
Мы живем в расширяющейся Вселенной, и в больших масштабах Вселенная расширяется со скоростью, превышающей скорость света, поэтому вы никогда не сможете догнать и завершить цикл.
