Астрофізик Олег Верходанов про викривлення простору, сценаріях розширення Всесвіту і даних космічної місії Planck
Коли астрономи і фізики говорять, що Всесвіт плоска, вони не мають на увазі, що Всесвіт плоска, як лист. Йдеться про властивість тривимірної площинності - евклідової (нескривленими) геометрії в трьох вимірах. В астрономії евклидов світ є зручною порівняльної моделлю навколишнього простору. Речовина в такому світі розподілено однорідно, тобто в одиниці об'єму міститься однакова кількість матерії, і изотропно, тобто розподіл речовини однаково в усіх напрямках. Крім того, матерія Там не еволюціонує (наприклад, не загоряються радиоисточники і не спалахують наднові), а простір описується найпростішої геометрією. Це дуже зручний світ для опису, але не для проживання, так як там немає еволюції.
Зрозуміло, що така модель не відповідає наглядовою фактами. Речовина навколо нас розподілено неоднорідно і анізотропно (десь є зірки і галактики, а десь їх немає), скупчення матерії еволюціонують (змінюються з часом), а простір, як ми знаємо з експериментально підтвердженої теорії відносності, викривлене.
Що таке кривизна в тривимірному просторі? В Евклідовому світі сума кутів будь-якого трикутника дорівнює 180 градусам - в усіх напрямках і в будь-якому обсязі. У неевклідової геометрії - в викривленому просторі - сума кутів трикутника буде залежати від кривизни. Два класичних приклади - це трикутник на сфері, де кривизна позитивна, і трикутник на сідловидної поверхні, де кривизна негативна. У першому випадку сума кутів трикутника більше 180 градусів, а в другому випадку - менше. Коли ми зазвичай говоримо про сферу або про сідлі, ми уявляємо собі викривлені двовимірні поверхні, що оточують тривимірні тіла. Коли ми говоримо про Всесвіт, треба розуміти, що ми переходимо до уявленням про тривимірному викривленому просторі - наприклад, говоримо вже не про двовимірної сферичної поверхні, а про тривимірну гіперсфері.
Так чому Всесвіт плоска в тривимірному розумінні, якщо простір викривлений не тільки скупченнями галактик, нашою Галактикою і Сонцем, але навіть Землею? У космології Всесвіт розглядається як цілий об'єкт. І як цілий об'єкт вона має певні властивості. Наприклад, починаючи з деяких дуже великих лінійних масштабів (тут можна розглядати і 60 мегапарсек [
180 млн світлових років], і 150 Мпк), речовина у Всесвіті розподілено однорідний і изотропно. На менших масштабах спостерігаються скупчення і надскупчення галактик і порожнечі між ними - Заходьте, тобто однорідність порушена.
Як можна виміряти площинність Всесвіту в цілому, якщо інформація про розподіл речовини в скупченнях обмежена чутливістю наших телескопів? Треба спостерігати в іншому діапазоні і інші об'єкти. Найкраще, що дала нам природа, - космічний мікрохвильовий фон, або реліктове випромінювання. яке, відокремившись від речовини через 380 тисяч років після Великого вибуху, містить інформацію про розподіл цієї речовини буквально з перших миттєвостей існування Всесвіту.
Кривизна Всесвіту пов'язана з критичною щільністю, рівної 3H 2 / 8πG (де H - постійна Хаббла, G - гравітаційна стала), яка визначає її форму. Величина параметра дуже маленька - близько 9.3 × 10 -27 кг / м 3. або 5,5 атомів водню на кубічний метр. Цей параметр розрізняє найпростіші космологічні моделі, побудовані на рівняннях Фрідмана, які описують розширюється Всесвіт. якщо щільність вище критичної, то простір має позитивну кривизну і розширення Всесвіту в майбутньому зміниться стисканням; якщо нижче критичної, то простір має негативну кривизну і розширення буде вічним; за однакової кількості щільності критичної розширення теж буде вічним з переходом в далекому майбутньому до Евклідовому світу.
Космологічні параметри, що описують щільність Всесвіту (а основні з них - це щільність темної енергії, щільність темної матерії і щільність баріонів [видимого] речовини), виражаються у вигляді відношення до критичної щільності. За даними космічної місії Planck. отриманим з вимірювань космічного мікрохвильового фонового випромінювання, відносна щільність темної енергії - ΩΛ = 0.6879 ± 0.0087, а відносна щільність всього речовини (тобто сума щільності темної і видимої матерії) - Ωm = 0.3121 ± 0.0087.
Якщо ми складемо всі енергетичні компоненти Всесвіту (щільності темної енергії, всього речовини, а також менш значущі в нашу епоху щільності випромінювання і нейтрино і інші), то ми отримаємо щільність всієї енергії, яку висловлюють через ставлення до критичної щільності Всесвіту і позначають Ω0. Якщо ця відносна щільність дорівнює 1, то кривизна Всесвіту дорівнює 0. Відхилення Ω0 від одиниці описує щільність енергії Всесвіту ΩK. пов'язану з кривизною. За вимірами рівня неоднорідностей (флуктуацій) розподілу реліктового фонового випромінювання визначаються всі параметри щільності, їх сумарне значення і, як наслідок, параметр кривизни Всесвіту.
За результатами спостережень обсерваторії Planck при обліку лише даних реліктового випромінювання (температури, поляризації і лінзування), визначено, що параметр кривизни дуже близький до нуля в межах малих помилок: ΩK = -0.004 ± 0.015, - а з урахуванням даних по розподілу скупчень галактик і вимірювань швидкості розширення за даними про наднових типу Ia параметр ΩK = 0.0008 ± 0.0040. Тобто Всесвіт плоска з високою точністю.
Чому це важливо? Площинність Всесвіту - це один з основних покажчиків на епоху дуже швидкого розширення Всесвіту. описуваного інфляційної моделлю. Наприклад, в момент народження Всесвіт могла мати дуже велику кривизну, в той час як зараз за даними реліктового випромінювання відомо, що вона плоска. Інфляційний розширення робить її плоскою у всьому спостережуваному просторі (маються на увазі, звичайно, великі масштаби, на яких викривлення простору зірками і галактиками не є суттєвим) так само, як збільшення радіусу кола випрямляє останню, і з нескінченним радіусом коло виглядає як пряма.
доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Спеціальної астрофізичної обсерваторії РАН, Нижній Архиз