Koji je oblik svemira?

Koliko kozmolozi mogu reći, svemir je gotovo savršeno ravan. Ali što ovo znači?

Napisao Cody Cottier 10. veljače 2021. 17:49

(Zasluge: Rost9 / Shutterstock)

Teorija opće relativnosti, pod kojom se sam prostor može zakriviti, omogućuje svemiru jedan od tri oblika : ravan poput lista papira, zatvoren poput kugle ili otvoren poput sedla. Ova astronomska geometrija nije trivijalna stvar - o njoj ovisi sudbina kozmosa.

Kako kaže kozmolog sa Sveučilišta Princeton David Spergel, „Oblik svemira govori nam o njegovoj prošlosti i budućnosti.“ Hoće li se svemir zauvijek širiti ili će se konačno srušiti i je li konačan ili beskonačan - sve su to pitanja koja se vežu uz njegovu oblik.

Kad je riječ o tako velikim pitanjima, njegove su komponente izuzetno jednostavne. Konačna struktura svemira ovisi o samo dva čimbenika: njegovoj gustoći i brzini širenja.

Zatvoreni, otvoreni ili ravni svemir?

Otprilike 68 posto svemira čini tamna energija, a 27 posto tamna tvar. Ostatak je normalna materija koja čini planete, zvijezde i druga tijela. Gustoća svemira odnosi se na količinu ove materije upakirane u zadani volumen prostora.

Ako je gustoća svemira dovoljno velika da njegova gravitacija prevlada silu širenja, tada će se svemir uviti u kuglu. Ovo je poznato kao zatvoreni model, s pozitivnom zakrivljenosti nalik kugli. Zapanjujuće svojstvo ovog svemira je da je konačan, ali nema granica. Međugalaktički Ferdinand Magellan mogao bi ga obići, zauvijek prelazeći svemir ne udarivši u zid ili padu preko ruba.

S druge strane, ako je gustoća svemira mala i ne može zaustaviti širenje, prostor će se iskriviti u suprotnom smjeru. To bi stvorilo otvoreni svemir negativne zakrivljenosti nalik sedlu.

Tri moguće geometrije svemira. (Zasluge: NASA / WMAP znanstveni tim)

Postoji i scenarij Zlatokose za svemir, za koji znanstvenici kažu da je najvjerojatniji. Većina kozmoloških dokaza ukazuje na to da je gustoća svemira upravo ona prava - što je ekvivalent od oko šest protona na 1,3 kubična metra - i da se širi u svim smjerovima, a da se ne zakrivi pozitivno ili negativno. Drugim riječima, svemir je ravan. (Možda će ovo biti neka utjeha svima koji su razočarani zaobljenošću našeg planeta.)

Stan u 3D-u

Što, međutim, znači ravni svemir? Ova ravnina nije dvodimenzionalna vrsta s kojom se često susrećemo u svakodnevnom životu, ali možete je zamisliti s nekoliko analogija. 

Recimo da stojite u jednom kutu četvrtaste sobe. Hodajte 10 metara duž zida do sljedećeg ugla, a zatim skrenite za 90 stupnjeva. Hodajte još 10 stopa i ponovno okrenite 90 stupnjeva. Učinite to još dva puta i naći ćete se tamo gdje ste započeli - dovršili ste kvadrat. Ovo je standardna euklidska geometrija koju smo svi naučili u srednjoj školi, a ako dodate još jednu dimenziju, dobit ćete ravni svemir.

Ali provođenje ovog eksperimenta na pozitivno zakrivljenom prostoru koji predstavlja zatvoreni svemir stvorio bi drugačiji ishod. Ovaj put započnite s ekvatora Zemlje i prošećite do Sjevernog pola. Zatim okrenite 90 stupnjeva i vratite se do ekvatora. Okrenite se još jednom za 90 stupnjeva i vratite se do početne točke. U primjeru ravnog svemira trebala su četiri okreta da se vratite tamo gdje ste započeli, ali samo tri u primjeru zatvorenog svemira.

Ako ste (razumljivo) još uvijek zbunjeni, evo još jednog primjera: u ravnom svemiru dvije rakete koje lete jedna pored druge uvijek će ostati paralelne. To je za razliku od zatvorenog svemira, u kojem će se staze ove dvije rakete razići, proći duž zaobljenosti prostora i na kraju zaokružiti u susret gdje su započele. A u negativno zakrivljenom, otvorenom svemiru rakete će se odvojiti i nikada više neće prijeći put.

'Kozmološka kriza'

Najbolji tragovi o obliku svemira ugrađeni su u kozmičku mikrovalnu pozadinu (CMB), naknadni sjaj Velikog praska koji zrači prema nama iz svih smjerova. Tijekom posljednjih nekoliko desetljeća znanstvenici su više puta mjerili temperaturne fluktuacije u CMB-u - u osnovi izvodeći trigonometriju u najvećem mogućem mjerilu - i gotovo uopće nisu zakrivili.

Ravni svemir ključni je dio standardnog kozmološkog modela, poznatog i kao Lambda model hladne tamne tvari (ΛCDM). ( Λ je grčko slovo za lambdu, što označava tamnu energiju.) No, krajem 2019. Alessandro Melchiorri sa rimskog sveučilišta Sapienza i njegovi kolege objavili su rad u kojem su zaključili da CMB mjerenja od strane svemirske zvjezdarnice Planck ukazuju na zatvoreni svemir. 

Analizirali su količinu gravitacijskog sočiva - koliko je svjetlost iz CMB-a skrenula gravitacija materije na svom putu - i pronašli brojku veću od predviđene modelom ΛCDM. Ako uklonite pretpostavku o ravnom svemiru, umjesto da "pokušavate uklopiti podatke u krivi model", kaže, odstupanje nestaje.

Planckova suradnja (čiji je Melchiorri dio) također je otkrila anomaliju leće, ali nije je pronašla kao značajnu. "To je nešto s čime se može vrlo lako živjeti", kaže Antony Lewis, kozmolog sa Sveučilišta Sussex u Brightonu u Engleskoj i član Planckova tima. On, poput većine istraživača, pripisuje odstupanje statističkoj slučajnosti. "Ako dobijete veliki skup podataka i tražite neobičnosti", kaže Lewis, "dužni ste ga pronaći."

Melchiorri priznaje da "glumi pomalo vražjeg zagovornika", ali vjeruje da bi znanstvenici trebali ostati skromni i ne odbacivati ​​Planckove podatke izravno. Njegova poanta nije u tome što je svemir sam po sebi zatvoren, već samo u tome što nam ta nedosljednost možda govori nešto važno. Također prepoznaje implikacije te izjave. On i njegovi koautori smatrali su to "kozmološkom krizom". "Jednom kada pretpostavite da je zatvoreni svemir to je mala katastrofa", kaže on, "jer postoji mnogo skupova podataka koji počinju biti u napetosti s [Planckovim podacima]."

Ravno koliko može oko

Ako je istina, srušila bi desetljeća astronomskih nalaza. No osim ovih podataka, nema ni najmanjeg razloga za sumnju da je svemir ravan. Sva ostala mjerenja CMB-a, poput mjerenja pomoću Atacama Cosmology Telescope (ACT) u Čileu i Wilkinson Microwave Anisotropy Sonde, u skladu su s ravnošću. Podaci iz drugih izvora, ponajprije akustičnih oscilacija bariona - otisci koji su na galaksijama ostali od iskonskih zvučnih valova koji su se dogodili nakon Velikog praska - također sugeriraju ravnost.

Bilo koja teorija potkrijepljena tako neodoljivim dokazima ostavila bi većinu znanstvenika skeptičnih prema jednom jedinom neobičnom. "Melchiorrijev članak nije smiješan", kaže Spergel, jer zaista opisuje značajku Planckovih podataka koja favorizira pozitivnu zakrivljenost. "Ali", dodaje, "kad odete i uzmete više podataka, vidite prilično dosljednu sliku ravnog svemira." 

U radu objavljenom u prosincu , Spergel i deseci drugih istraživača povezanih s ACT-om kombinirali su vlastite podatke i druge skupove podataka s podacima iz Plancka. Nisu pronašli "nijedan dokaz odstupanja od ravnosti, što podupire tumačenje da je [Planckovo odstupanje] statistička fluktuacija." Druge analize od objave Melchiorrijeva članka, uključujući i onu koju su prošle veljače izvršili kozmolozi Sveučilišta Cambridge George Efstathiou i Steven Gratton, zaključile su isto. Što se njih tiče, nema potrebe za ažuriranjem ΛCDM modela.

So, at least for now, the universe seems to be a three-dimensional sheet of paper. But just as Melchiorri doesn’t insist it’s actually closed, not all scientists insist it’s actually flat — that’s just how it appears from our point of view. Our observations are, by definition, limited to the observable universe, so we could be missing something.

Ako je svemir zakrivljen, on mora biti toliko kolosan da cijele 93 milijarde svjetlosnih godina koje možemo vidjeti nije dovoljno velik dio da otkrije zakrivljenost. Da uzmemo primjer sa Zemlje, kaže Gratton, moglo bi izgledati kao da stojimo u magli i ne možemo vidjeti dalje od malog, ravnog dijela zemlje - ali negdje izvan vidokruga, horizont dokazuje da živimo na sferi. "Kad kažemo da je svemir ravan", kaže on, "ono što govorimo je da je ono malo svemira koje možemo vidjeti, u skladu s dijelom [3D analoga] ravne površine."

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/what-shape-is-the-universe