На сайте Астрометрия Астрономические инструменты Астрономическое образование Астрофизика История астрономии Космонавтика, исследование космоса Любительская астрономия Планеты и Солнечная система Солнце

Немецкие математики установили, что Вселенная по форме напоминает дудку
28.04.2004 3:15 | Максим Борисов/Грани.ru

Вселенная может иметь форму не какого-нибудь там шара или додекаэдра, а ... рожка или горна. Точнее говоря весь наш космос оказывается вытянут в этакую длинную трубку, с узким концом с одной стороны и "раструбом" с другой. Такая "конструкция" нашей Вселенной кроме всего прочего подразумевает, что она конечна, а в каких-то ее местах встречаются области, где можно увидеть собственный затылок. Возможно, для "здравомыслящих" людей все это прозвучит как полный бред или мечта сюрреалиста, однако выкладки математика Франка Штайнера (Frank Steiner) из германского Университета Ульма (Universität Ulm) и его коллег основаны на авторитетных экспериментальных данных, полученных в 2003 году все тем же знаменитым зондом WMAP (NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Крупномасштабная геометрия Вселенной представляет собой фундаментальную проблему космологии, особенно важны ее пространственная кривизна и топология. Уравнения Эйнштейна для гравитационного поля определяют лишь локальные свойства пространства-времени, но не глобальную структуру Вселенной в целом. В так называемой космологической модели соответствия (concordance model of cosmology) предполагается, что пространство Вселенной в больших масштабах обладает тривиальной топологией и при этом подразумевается, что она имеет бесконечный объем. При рассмотрении различных сценариев инфляционного расширения (теперь они, во многом благодаря тому же WMAP, признаны самыми вероятными) эти свойства нашего космоса определяются начальными условиями, возникшими в момент Большого взрыва. Однако так как до сих пор не решен вопрос с квантовой теорией гравитации, эти начальные условия не могут быть предсказаны теоретически. Вместо этого приходится анализировать свежие астрофизические данные, и особенно интересны в этой связи данные по космическому микроволновому фону (реликтовое излучение). Пользуясь этими данными (своего рода "снимком" Вселенной, которой было всего 380 тысяч лет отроду), в принципе можно вывести уравнения, определяющие кривизну и топологию Вселенной в больших масштабах. И в вариациях температуры реликтового излучения ученые видят явные намеки на нетривиальность топологии нашей Вселенной.

	Скрипка и футбольный мяч: ученые вычисляют форму космоса Первоначальная обработка данных, полученных зондом WMAP, казалось, подтвердила теорию, что наш мир является бесконечным и "плоским", однако интерпретация очередного массива данных от того же самого зонда дает теперь уже совершенно противоположный результат: окружающий нас космос может быть не только конечным, замкнутым и сравнительно небольшим по объему, но и имеет форму додекаэдра. Это своего рода 12-сторонний зал с волшебными зеркалами, создающими иллюзию бесконечности за счет отображения нескончаемого ряда копий одних и тех же звезд, находящихся, правда, на разных этапах своего развития.

Новая диковинная модель призвана объяснить два загадочных обстоятельства, так озадачивающих астрофизиков: во-первых, необычный характер распределения "горячих" и "холодных" пятен в космическом микроволновом излучении, а во-вторых, "глушение" сигнала при больших масштабах (обнаружено отсутствие каких-либо ясно выраженных "горячих" или "холодных" участков при углах свыше примерно 60 градусов). Текущий объем Вселенной по Штайнеру составляет около 10³² кубических световых лет. Когда же Вселенной было только 380 тысяч лет, то она была столь мала, что в ней просто не могли возникнуть достаточно большие флуктуации.

В новой модели, определяемой так называемой топологией Пикара (Picard topology), Вселенная изогнута весьма прихотливым образом. Один ее конец бесконечно удлинен, но зато столь сужен, что имеет в результате конечный объем. С другой стороны "раструб" резко расширяется, однако отнюдь не бесконечно, и если бы мы летели к "вспухшему" концу на космическом корабле, то в некоторый момент вернулись бы обратно с другой стороны "дудки" (см. верхний рисунок). Эмиль Пикар (1856-1941) - это французский математик, занимавшийся исследованием дифференциальных уравнений, особых точек, асимптотических решений, теорией функций и пр., кстати говоря, он иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895), и иностранный почетный член АН СССР (1925).

Имеющая форму "рога" модель были предложена еще в 1990-х годах, чтобы правильно описать аномалии, которые выявились при анализе данных спутника COBE (Cosmic Background Explorer - Исследователь космического фона) - предшественника WMAP, однако группа Штайнера первая показала, что эта идея соответствует и данным WMAP тоже. В 2003 году уже выдвигалась другая модель, призванная соответствовать результатам WMAP, и согласно ей Вселенная также оказывалась конечной, однако форма мира была иная (додекаэдр, в прессе ошибочно именовавшийся "футбольным мячом"). Другие варианты возможной формы Вселенной - "пончик" (тороидальная форма) или же сплюснутая сфера (предложенная несколько месяцев назад учеными из американского штата Пенсильвания).

В пользу новой модели говорит форма небольших "пятен" на карте, нарисованной WMAP. Это эллипсы. Кривизна Вселенной, имеющей форму рожка, прекрасно объясняет это обстоятельство, ведь в этом случае мы имеем дело со сплошными "седловинами", участками, изогнутыми в одном направлении вверх, а в другом, перпендикулярном к первому направлению, - вниз. Это "отрицательно изогнутое" пространство будет действовать подобно искажающей линзе, превращая пятна в нечто эллипсообразное. Математики могут рассматривать бесконечное число различных видов отрицательно изогнутого пространства, но топология Пикара в данном случае относится к числу самых простых вариантов.

Новая модель вынуждает ученых расстаться с "космологическим принципом", то есть идеей, согласно которой все части космоса примерно равноправны. "Если бы вам случилось оказаться в той длинной узкой "кишке", то вещи действительно выглядели бы очень странными, имели бы два очень маленьких измерения", - говорит Холгер Тэн (Holger Then), принимавший участие в исследованиях. В достаточно экстремальной точке мы были бы даже способны увидеть свой собственный затылок... Это было бы весьма интересное место для самых чудесных исследований, однако Земля вероятно слишком далека от узкого конца дудки, чтобы мы могли наблюдать какие-либо странные явления с помощью телескопов...

Впрочем, критически важные для новой модели наблюдения WMAP все еще носят неоднозначный характер и могут оказаться всего лишь статистическими выбросами. В ближайшие годы WMAP и другие спутники и экспериментальные установки должны проверить, действительно ли на "карте" отсутствуют большие "пятна" и действительно ли маленькие участки имеют эллиптическую форму.

Журналисты уже принялись соревноваться, обыгрывая кто как может свежеопределенную форму нашей Вселенной. Рожок, дудка, рупор, клаксон, колпак, рог изобилия, горн... Так что Большой взрыв - эта та еще "Пионерская зорька"! А труба Судного дня, похоже, пропела уже при рождении нашего мира...

Источники:
Hyperbolic Universes with a Horned Topology and the CMB Anisotropy - arXiv (PDF, 925 Кб)
Big Bang glow hints at funnel-shaped Universe - New Scientist
The universe is not round, say scientists - it is shaped like a trumpet - Independent
Cosmic horn with plenty of rivals - Guardian

Ссылки: (Обзоры препринтов astro-ph)
Гиперболическая вселенная с конической [рогоподобной] топологией и анизотропия реликта
Являются ли низшие гармоники реликтового фона космологическими?

Адрес оригинальной статьи:
http://grani.ru/Society/Science/m.67469.html

Публикации с ключевыми словами: WMAP - топология Вселенной Публикации со словами: WMAP - топология Вселенной
См. также: Холодное пятно в реликтовом излучении Раздувание Вселенной Три года наблюдений WMAP: Результаты Три года работы WMAP Обработаны три года наблюдений WMAP! Три года наблюдений WMAP: Анонс WMAP раскрывает секреты Вселенной Все публикации на ту же тему >>