«Кривобокость» Вселенной, возможно, свидетельствует о её открытости

Александр Березин

Из свежих снимков реликтового излучения следует, что его температура в разных «полушариях» Вселенной разнится. А это резко противоречит базису современной космологии — тезису об изотропности Вселенной, то есть одинаковости её физических свойств во всех направлениях.

С тех пор как эти данные в первой половине текущего года стали достоянием общественности, возникла нешуточная дискуссия о причинах неравномерности температур в разных секторах неба.

Сначала появилась гипотеза о том, что распределение материи-энергии и соответствующая ему картина реликтового излучения различаются в силу того, что мы живём внутри Вселенной, недостаточно большой, чтобы исключить все статистические флуктуации распределения такого излучения по небу. Мол, будь она чуть больше, картина неба была бы изотропной.

Карта реликтового излучения по «Планку». Иные видят здесь неоднородности, другие считают, что это только кажется, и, мол, статистической значимости не хватает. (Здесь и ниже иллюстрации ESA, Planck Collaboration / Alan Stonebrake.)
Но тогда совершенно неясно, почему мироздание неоднородно на столь внушительных масштабах, в то время как ранние исследования заявляли о его изотропности на дистанциях свыше сотен мегапарсек. По теории, пространственные различия в реликтовом излучении должны отражать флуктуации плотности ранней Вселенной, из которых выросли все эти галактики и другие космические структуры. Та же теория предсказывает, что статистически Вселенная в целом должна быть гомогенна, то есть в целом колебания должны существовать лишь на малых масштабах — порядка галактик и их скоплений, но никак не в пределах всей Вселенной.

Конечно, результаты измерений «Планка» (а равно и его предшественника WMAP) всё ещё ожесточенно обсуждаются: отдельные астрономы заявляют, что данные по температурным различиям полушарий неба имеют значимость «в какие-то 3σ». Да, для обывателя, всё, что выше 99,5% вероятности, расценивается как достоверное, но физики часто требуют пяти сигм, то есть существенно более высокого уровня точности, пока недоступного ни одному земному космическому аппарату. Да, построить новый, более точный «Планк» реально, но, как иронизируют сторонники достоверности данных последнего, зачем? Пять лет назад, обсуждая менее совершенные результаты WMAP, также заметившего неоднородность в реликтовом излучении (РИ), то есть и во Вселенной, скептики тоже требовали более точного определения различий температуры РИ, и хотя новый аппарат это сделал, они «всё ещё не убеждены». Что заставит их изменить мнение при очередном уточнении исходных данных?

Конечно, это скорее шутка: 5σ убедят всех. В то же время некоторые учёные уже заявили, что если бы мы располагали несколькими панорамами неба с реликтовым излучением, то неоднородностей не было бы. Но небо вокруг Земли только одно, а потому... В общем, вы поняли.

И всё же давайте рассмотрим ситуацию, исходя из того, что флуктуации, замеченные «Планком», реальны. Есть два способа объяснить их. Первый — модифицировать модель инфляции, сверхбыстрого раздувания Вселенной в начальной фазе её развития. Сама инфляция, предположительно, была вызвана квантовым скалярным полем, известным как инфлатонное, квантом которого был инфлатон.

Пертурбации и возмущения в инфлатонном поле могут иметь своей причиной как возмущения в первоначальном распределении массы в ранней Вселенной, так и воздействие другого, искривляющего скалярного поля, квантом которого был курватон. Взаимодействие инфлатона и курватона могло так исказить Вселенную, что она стала «кривобокой», то есть с одной стороны неба реликтовое излучение в ней чуть ярче, чем с другой. Для этого флуктуации в распределении материи должны быть связаны с волновыми флуктуациями курватона. Собственно, такое объяснение уже предлагалось в 2008 году для обоснования данных космического зонда WMAP, тоже указывавшего на анизотропию Вселенной.

Чтобы получить наблюдаемые показатели искажения Вселенной курватоном, параметры его флуктуации тогда были просто выведены из наблюдаемых данных анизотропии реликтового излучения (иные скажут: «их подогнали под анизотропию»). Этот подход имеет очевидные пробелы: почему анизотропия и волновые параметры курватона оказались именно такими, а не, к примеру, эдакими? Вот как описал методику получения таких параметров один из авторов курватона-2008: «Просто вытащили флуктуации курватона из шляпы». Да, как фокусник кролика.

Теперь Эндрю Лиддл (Andrew Liddle) и Марина Кортес (Marina Cortês) из Эдинбургского университета (Шотландия, Великобритания) предлагают второй путь. Они хотят обойтись без притягивания параметров за уши. Поэтому теперь нет нужды «натягивать» курватон на данные наблюдений. Искривление Вселенной может возникнуть естественным путём, утверждают они, если Вселенная является открытой. Открытая Вселенная будет иметь отрицательную кривизну, где параллельные линии в конечном счёте расходятся, как на седлообразной поверхности (см. иллюстрацию).

Предположим, что вы улитка, стреляющая из пары бластеров. В общепринятой модели геометрии Вселенной лучи от них идут параллельно. Если Лиддл и Кортес правы (верхний вариант геометрии Вселенной), то со временем лучи расходятся, а мироздание является открытым, а не замкнутым, как считается сегодня.
Другое дело, что такая открытая Вселенная требует, чтобы её плотность была ниже критической, при которой тяготение материи способно преодолеть кинетическую энергию, с коей различные части Вселенной разлетаются в стороны.

Сейчас в физическом сообществе общепринятым считается предположение о том, что Вселенная в действительности является скорее плоской, нежели искривлённой (геометрически). Однако существующие измерения оставляют зазор для такого варианта, в котором общая плотность отличается от критической лишь на 1%. В таком случае Вселенная кажется плоской, но в действительности, к чему и гнут г-да Лиддл и Кортес, искривлена она с характерным радиусом, превышающим наблюдаемый нами горизонт (то есть размеры Вселенной) не более чем на порядок (или около того).

Итак, в этой гипотезе налицо радиус кривизны, уходящий за горизонт, и именно он устанавливает длину волны флуктуации курватона, отвечающего за наблюдаемую асимметрию реликтового излучения. Подобная частота курватона, согласно исследователям, естественным путём сама возникает в моделях «открытой инфляции», разработанных в 1990-х, до утверждения современного взгляда на геометрию Вселенной. В таких моделях Вселенная возникает как пузырь внутри более крупной Метавселенной (или Мультивселенной). Сам пузырь появляется посредством туннельного эффекта, когда вакуум Метавселенной переключается из одного энергетического состояния в другое. Скорость расширения пузыря-мироздания приближается к световой.

Казалось бы, бесконечное пространство открытой Вселенной не может быть заключено внутри такого расширяющегося пузыря в Метавселенной, чей объём, очевидно, ограничен. Однако это возможно, если принять во внимание, что время внутри пузыря нашей Вселенной определяется по-другому, нежели вне его.

Если мы ограничим себя 2D-пространством, тогда внутреннее время нашей Вселенной будет бесконечно изогнутой плоскостью, или гиперповерхностью в пространстве-времени более крупной Метавселенной. Согласно модели открытой инфляции, квантовое туннелирование, породившее пузырь Вселенной, также вызовет флуктуации в стенке пузыря. А они будут флуктуациями кривизны, которые вполне укладываются в наблюдаемые отклонения от изотропности реликтового излучения.

У модели есть недостаток: она, как и предшествующая гипотеза 2008 года, не зависит от масштабов. Это значит, что обе стороны неба должны иметь разные амплитуды плотности-флуктуаций, для участков неба меньших, чем 3°. Однако из астрономических наблюдений (на примере тех же квазаров) ничего такого не вытекает.

В рамках такой гипотезы с точки зрения обитателя Метавселенной наша Вселенная образовалась в момент T₀. Затем, в последующие моменты, определяемые как T₁, T₂ и т.д., Вселенная расширяется. Местоположения конкретных объектов в ней показаны жёлтыми точками, а их перемещение на видимом небе жёлтым пунктиром. В таком случае анизотропия реликтового излучения может возникнуть вполне естественным путём, без подгонки параметров.

В принципе последнюю проблему можно обойти в случае, если и инфлатон, и курватон вместе генерировали первоначальные флуктуации ранней Вселенной, из-за которых мы наблюдаем сегодня анизотропию реликтового излучения.

Новая модель Вселенной — что только радует — подлежит проверке наблюдениями: если Вселенная действительно слегка приоткрыта, то дальнейшее изучение данных «Планка» (или в случае нехватки разрешения его преемника) позволит окончательно подтвердить или опровергнуть концепцию открытой инфляции.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Physics.

computerra

Опубликовано на сайте: 2013-09-15