Провокационная статья, опубликованная сегодня в журнале , утверждает, что вселенная может изгибаться и замыкаться на себе, как сфера, а не лежать плоско, как лист бумаги, как предсказывает стандартная теория космологии. Авторы повторно проанализировали основной набор космологических данных и пришли к выводу, что данные благоприятствуют закрытой вселенной с вероятностью 99% — даже если другие данные свидетельствуют о том, что вселенная плоская.
Рассматриваемые данные — наблюдения древнего света на космическом телескопе Планка, называемые космическим микроволновым фоном (CMB), — «четко указывают на закрытую модель», — сказал Алессандро Мельхиорри из Римского университета Сапиенца. Он стал соавтором новой статьи с Элеонорой ди Валентино из Университета Манчестера и Джозефом Силком, главным образом из Оксфордского университета. По их мнению, несоответствие между данными CMB, которое предполагает, что вселенная закрыта, и другими данными, указывающими на плоскостность, представляет собой «космологический кризис», который требует «радикального переосмысления».
Тем не менее команда ученых пришли к другим выводам в своем . Энтони Льюис, космолог из Университета Сассекса и член команды Планка, который работал над этим анализом, сказал, что самое простое объяснение специфической особенности в данных CMB, которую ди Валентино, Мельхиорри и Шелк интерпретировали как свидетельство замкнутой вселенной, «в том, что это просто статистическая случайность». Льюис и другие эксперты говорят, что они уже внимательно изучили проблему, а также связанные с этим загадки в данных.
“Нет никаких сомнений в том, что эти симптомы существуют на каком-то уровне”, — сказал Грэм Аддисон, космолог из Университета Джонса Хопкинса, который не участвовал в анализе планка или новом исследовании. «Есть только разногласия относительно толкования.»
Плоская ли Вселенная — то есть будут ли два световых луча, летящих бок о бок через пространство, всегда оставаться параллельными, а не в конечном итоге пересекаться и возвращаться туда, где они начали, как в замкнутой вселенной, — критически зависит от плотности Вселенной. Если вся материя и энергия во Вселенной, включая темную материю и темную энергию, складываются в точную концентрацию, при которой энергия внешнего расширения уравновешивает энергию внутреннего гравитационного притяжения, пространство будет простираться ровно во всех направлениях.
Ведущая теория рождения Вселенной, известная как космическая инфляция, дает первозданную плоскость. И различные наблюдения с начала 2000-х годов показали, что наша вселенная очень близка к плоскости и поэтому должна находиться в пределах волоска этой критической плотности, которая рассчитана на количество вещества около 5,7 атомов водорода на кубический метр пространства, большая часть которого невидимый.
Телескоп Планка измеряет плотность Вселенной, измеряя, сколько света CMB было отклонено или «гравитационно линзовое» при прохождении через вселенную за последние 13,8 миллиардов лет. Чем больше материи, с которыми сталкиваются эти фотоны CMB в своем путешествии на Землю, тем больше они получают линз, так что их направление больше не отражает их исходную точку в ранней вселенной.
Это проявляется в данных как эффект размытия, который сглаживает определенные пики и провалы в пространственной структуре света. Согласно новому анализу, большое количество линз CMB предполагает, что Вселенная может быть примерно на 5% более плотной, чем критическая плотность, в среднем что-то около шести атомов водорода на кубический метр вместо 5,7, так что гравитация побеждает, и космос закрывается в себе.
Ученые Планка заметили, что эффект линзирования был больше, чем ожидалось, много лет назад аномалия обнаружилась наиболее заметно в их окончательном анализе полного набора данных, опубликованного в прошлом году. Если Вселенная плоская, космологи ожидают, что измерение кривизны будет находиться в пределах примерно одного «стандартного отклонения» от нуля из-за случайных статистических колебаний в данных. Но и команда Планка, и авторы новой статьи обнаружили, что данные CMB отклоняются на 3,4 стандартных отклонения. Предполагая, что вселенная плоская, это большая случайность — примерно эквивалентно тому, как головы в монете подбрасывают 11 раз подряд, что происходит менее чем в 1% случаев. Команда Planck приписывает измерение как раз такой случайности или некоторому неучтенному эффекту, который размывает свет CMB, подражая эффекту дополнительной материи.
Или, возможно, вселенная действительно закрыта. Ди Валентино и соавторы указывают, что закрытая модель разрешает другие аномальные результаты в CMB. Например, исследователи определяют значения ключевых ингредиентов нашей вселенной, таких как количество темной материи и темной энергии, измеряя различия в цвете света CMB, приходящего из разных областей неба. Но любопытно, что они получают разные ответы, когда сравнивают маленькие области неба и когда сравнивают большие области. Авторы указывают, что когда вы пересчитываете эти значения, предполагая замкнутую вселенную, они не отличаются.
Уилл Кинни, космолог из Университета в Буффало в Нью-Йорке, назвал это бонусное преимущество модели замкнутой вселенной «действительно интересным». Но он отметил, что расхождения между малыми и крупномасштабными вариациями, наблюдаемыми в свете CMB, могут легко быть статистическими сами флуктуации, или они могут возникнуть из-за той же неопознанной ошибки, которая может повлиять на измерение линзирования.
Есть только шесть из этих ключевых свойств, которые формируют вселенную, согласно стандартной теории космологии, которая известна как ΛCDM (названа в честь темной энергии, представленной греческой буквой Λ, или лямбда, и холодной темной материи). Имея всего шесть чисел, ΛCDM точно описывает почти все особенности космоса. И ΛCDM не предсказывает никакой кривизны; это говорит, что вселенная плоская.
В новой статье фактически утверждается, что нам, возможно, потребуется добавить седьмой параметр к ΛCDM: число, которое описывает кривизну Вселенной. Для измерения линзирования добавление седьмого числа улучшает подгонку данных.
Но другие космологи утверждают, что перед тем, как относиться к аномалии достаточно серьезно, чтобы добавить седьмой параметр в теорию, мы должны принять во внимание все другие вещи, которые ΛCDM получает право. Конечно, мы можем сосредоточиться на этой аномалии — монете, поднимающейся орлом вверх 11 раз подряд, — и сказать, что что-то не так. Но CMB-это такой огромный набор данных, что это похоже на бросание монеты сотни или тысячи раз. Не слишком сложно представить, что при этом мы столкнемся с одним случайным пробегом из 11 голов. Физики называют это эффектом «взгляда в другое место».
Кроме того, исследователи отмечают, что седьмой параметр не нужен для большинства других измерений. Есть второй способ получения пространственной кривизны от CMB, измеряя корреляции между светом от наборов из четырех точек на небе; это измерение «реконструкции линзы» показывает, что Вселенная плоская, без седьмого параметра. Кроме того, независимые наблюдения космологических сигналов в рамках обзора BOSS, называемые акустическими колебаниями барионов, также указывают на плоскостность. Планк в своем анализе 2018 года объединил свои измерения линзирования с этими двумя другими измерениями и пришел к общему значению пространственной кривизны в пределах одного стандартного отклонения нуля.
Ди Валентино, Мельчиорри и Силк считают, что объединение этих трех различных наборов данных скрывает тот факт, что различные наборы данных на самом деле не согласуются. “Дело здесь не в том, что Вселенная закрыта”, — сказал Мелчиорри по электронной почте. «Проблема заключается в несоответствии между этими данными. Это указывает на то, что в настоящее время нет никакой модели согласования и что нам чего-то не хватает.»Другими словами, ΛCDM является неправильным или неполным.
Все другие исследователи, с которыми консультировались в этой статье, считают, что вес доказательств указывает на то, что Вселенная плоская «Учитывая другие измерения, — сказал Аддисон, — самая ясная интерпретация такого поведения данных Планка состоит в том, что это статистическая флуктуация. Возможно, это вызвано некоторой небольшой неточностью в анализе Планка, или, может быть, это всего лишь колебания шума или случайный случай. Но в любом случае, на самом деле нет причин серьезно относиться к этой закрытой модели».
Но это не значит, что в космологической картине не хватает деталей. ΛCDM, по-видимому, предсказывает неверное значение для текущей скорости расширения Вселенной, что вызывает споры, известные как проблема постоянной Хаббла. Но предположение, что вселенная замкнута, не решает этой проблемы — на самом деле, добавление кривизны ухудшает прогноз скорости расширения. Кроме аномальных линзовых измерений планка, нет никаких оснований считать, что Вселенная закрыта.