Астрономы доказали, что Вселенная замкнута. Что? Нет!
На этой неделе в журнале Nature Astronomy была опубликована статья, авторы которой утверждают о наличии небольшой глобальной положительной кривизны пространства. Эта новость получила широкую огласку как в зарубежных, так и в российских СМИ, причем ее обычно преподносят как прояснение формы Вселенной. Мы попросили постдока Университета Нью-Йорка Михаила Иванова прокомментировать эту работу.
Обработанная с помощью нейросетевого алгоритма Deep Dream карта линий галактического магнитного поля, полученная при анализе реликтового излучения
ESA / Planck Collaboration / Deep Dream Generator
Бурное развитие наблюдательной космологии, продолжающееся на протяжении последних десятилетий, позволило измерить фундаментальные параметры, описывающие нашу Вселенную, несколькими различными способами с процентной точностью.
Если существуют слабые эффекты физики за рамками стандартной космологической модели, то они могут проявиться в наблюдениях уже сейчас. С другой стороны, на достигнутом уровне точности многие систематические ошибки измерений начинают превосходить статистические, и поэтому проявление систематических эффектов можно ошибочно принять за сигнал новой физики.
В связи с этим весьма важно прояснить статистические аномалии в космологических данных, которые имеются уже сейчас. Наиболее важные из них — это противоречивые измерения постоянной Хаббла и амплитуды возмущений крупномасштабной структуры Вселенной, связанные также с аномалией линзирующего потенциала микроволнового излучения. Первый эффект уже был подробно описан и неоднократно освещался в материалах N+1 .
Что касается второго эффекта, то он заключается в следующем. Гравитационное линзирование фотонов реликтового излучения (РИ) структурами на малых красных смещениях приводит к размытию пиков барионных акустических осцилляций (БАО) в спектре флуктуаций температуры. Этот эффект можно понять так: траектории фотонов РИ искажаются из-за наличия структур случайным образом, вследствие этого корреляция между ними ослабевает, и некоторые особенности в спектре, такие как БАО, ослабевают.
Также гравитационное линзирование можно воспринимать как диффузию фотонов, которая размывает БАО аналогично тому, как диффузия разрушает акустические волны в обычной жидкости. Этот эффект может быть аккуратно вычислен, однако, наблюдаемое размытие, измеренное «Планком», оказалось существенно сильнее, чем предсказывается в рамках стандартной космологической модели ΛCDM.
Величину этого эффекта можно выразить через нефизический параметр Alens, который должен быть равен единице в ΛCDM. Любопытно, что в последнем релизе «Планка» Alens отличен от 1 на уровне статистической значимости в 3 сигма. При этом размытие пиков микроволнового излучения имеет место только на малых угловых масштабах (меньше 1/800 радиана).
Аномальное размытие представляет собой одну из причин того, что космологические параметры, измеряемые из спектров мощности флуктуаций температуры и поляризации на малых угловых масштабах, расходятся на уровне 3 сигма с параметрами, извлекаемыми из флуктуаций на больших угловых масштабах. Это несоответствие, однако, обычно интерпретируется как статистическая флуктуация. Такой точки зрения придерживаются многие космологи, в том числе участники коллаборации «Планк».
Это связано с тем, что «Планк» совершает множество независимых измерений, при которых отклонения на уровне 3 сигм обязаны происходить (look elsewhere effect). Сильным указанием на то, что это действительно флуктуация, является прямое измерение линзирующего потенциала РИ, которое отлично согласуется с предсказанием ΛCDM.
Размытие пиков и линзирование карт РИ являются двумя независимыми способами измерения одного и того же линзирущего потенциала. Не существует физической модели, которая бы приводила к разным искажениям в результатах этих двух измерений. Таким образом, наличие разногласия между ними может быть либо систематикой, либо флуктуацией, но никак не новой физикой.
Недавно опубликованная статья ученых под руководством Джозефа Силка (Joseph Silk) из Парижского института астрономии также касается эффект разногласия между измеряемыми «Планком» космологическими параметрами на больших и малых угловых масштабах.
Сразу необходимо заметить, что авторы используют только информацию о температуре и поляризации, игнорируя при этом измерения линзирующего потенциала. Если исследовать только выбранные данные, то предположение о наличии положительной пространственной кривизны позволяет снять разногласие между большими и малыми мультиполями. При этом отличие кривизны от нуля значимо на уровне 3 сигма.
Это наблюдение не ново и уже было сделано в статьях коллаборации «Планк». В новой работе ученые явно показывают, что при добавлении кривизны аномальное линзирование пропадает. Тем не менее, предложенная ими модель приводит к усилению других разногласий. Во-первых, она не сопоставима с измерением барионных акустических осцилляций в распределении структур на малых красных смещениях (SDSS, BOSS, eBOSS). Во-вторых, усиливается расхождением с прямым измерением линзирующего потенциала РИ.
В-третьих, усиливается расхождение с измерением слабого линзирования галактик обзором KiDS. В-четвертых, модель с кривизной предсказывает значение постоянной Хаббла на уровне 55 км/с/Мпк, что сильнее расходится с локальными измерениями, чем результаты оригинального анализа данных «Планка», то есть усугубляет напряженность Хаббла.
Таким образом, модель с кривизной находится в сильном противоречии с космологическими данными на малых красных смещениях. При этом надо иметь в виду, что вклад кривизны становится важен именно на малых красных смещениях, и поэтому данные измерения более чувствительны к ней, и они-то как раз предпочитают нулевую кривизну.
Основывать утверждения о кривизне только на данных «Планка» по температуре и поляризации при игнорировании данных линзирования, БАО и сверхновых методологически неправильно, и именно поэтому коллаборация «Планк» не делала сильных утверждений из того факта, что данные по РИ на больших красных смещениях предпочитают ненулевую кривизну.
Как только все данные объединены, кривизна становится равна нулю с большой статистической значимостью. Кроме того, модель с кривизной усиливает несогласие между разными независимыми измерениями космологических параметров настолько, что эти несоответствия нельзя больше рассматривать как статистические флуктуации. С этой точки зрения более предпочтительной моделью должна быть та, которая минимизирует несогласие, и такая модель есть — это обычная плоская ΛCDM с параметрами «Планка».
Резюмируя, опубликованная статья делает громкие утверждения на основе методологически неправильных манипуляций с данными, что не позволяет относится к полученным результатам как к надежным. Эта ситуация также указывает на слабый процесс реферирования в Nature Astronomy, который в данном случае повел себя как типичный «мусорный журнал».
Источник
Новое исследование предполагает, что Вселенная является замкнутой сферой
Если вы находитесь внутри чего-то, вам трудно точно определить его форму. Мы до сих пор все еще узнаем что-то новое о форме нашей галактики.
Как тогда насчет формы Вселенной? Ее гораздо сложнее измерить, но годы наблюдательных данных, космологических моделей и физики говорят о том, что она пространственно плоская. Отправьте пучок фотонов через пустоту, и он будет продолжать двигаться по прямой линии.
Новое исследование утверждает обратное. Основываясь на данных, опубликованных в прошлом году и собранных спутником Планка Европейского космического агентства, астрономы доказывают, что Вселенная фактически искривлена и замкнута, как раздувающаяся сфера.
Это означает, что пучок фотонов в конечном итоге вернется туда, откуда они начал свое движение, пересекая другие лучи, которые будут оставаться параллельными в сценарии плоской Вселенной.
Согласно исследованию международной команды астрономов во главе с Элеонорой ди Валентино из Манчестерского университета в Великобритании, их результаты представляют собой «космологический кризис», который требует «радикального переосмысления текущей космологической модели согласования».
Ученые говорят, что ключ к искривлению Вселенной заключается в том, как гравитация изгибает путь света, и этот эффект, предсказанный Эйнштейном, называется гравитационным линзированием.
Не только любой свет, но и космический микроволновый фон (реликтовое излучение). Это электромагнитное излучение, оставшееся в пространстве между звездами и галактиками, начиная примерно с 380 000 лет после Большого взрыва, когда сформировались первые нейтральные атомы Вселенной.
Как только вы заблокируете все другие источники света, пространство будет слабо светится, что-то вроде фоновой статики. Это самый старый свет во Вселенной, обладающий высокой степенью изотропности и спектром, свойственным для абсолютно чёрного тела, с плотностью энергии 400-500 фотонов/см3.
Если посмотреть на данные со спутника Планка, и в частности на данные 2018 года, они показывают, что реликтовое излучение подвергается гравитационной линзе более сильной, чем должно было быть. Коллаборация Планка назвало эту аномалию Alens, и это еще не решено, но команда ученых считает, что одним из объяснений может быть форма Вселенной.
«Закрытая Вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту, поскольку космические микроволновые фоновые спектры Планка теперь предпочитают положительную кривизну при уровне достоверности более 99 процентов», — пишут они.
«Здесь мы дополнительно исследуем доказательства существования закрытой Вселенной от Планка, показывающие, что положительная кривизна естественным образом объясняет аномальную амплитуду линзирования».
Закрытая Вселенная может объяснить эту аномалию, но есть несколько больших проблем, не в последнюю очередь из-за того, что все другие анализы наборов данных Планка, включая данные 2018 года, приводят к выводу, что наши космологические модели верны. А они включают в себя плоскую Вселенную.
Есть и другие проблемы, и исследователи постаралась отметить это в своей статье. Одним из них является постоянная Хаббла, скорость, с которой расширяется Вселенная, нерешенная проблема космологии. Не существует двух одинаковых измерений постоянной Хаббла, и искривление Вселенной только затрудняет ее предсказание.
Данные барионных исследований акустических колебаний темной энергии — неизвестной энергии, ускоряющей расширение Вселенной — также не согласуются с моделью замкнутой Вселенной, как и данные о космическом сдвиге, полученные из наблюдений гравитационного линзирования.
Астрофизики Джордж Эфстатиу и Стивен Граттон из Кембриджского университета также проанализировали данные Планка за 2018 год и нашли доказательства кривизны вселенной, но когда они сравнили их с другими наборами данных Планка и данными об акустических колебаниях барионов, они обнаружили «убедительные доказательства в поддержку пространственно плоской Вселенной».
Таким образом, в широком смысле, большая часть данных, кажется, подтверждает плоскую Вселенную, за исключением аномалии Аленса. Это проблема, которая должна быть решена в будущем.
Источник
Возможна ли смерть Вселенной?
Существует много различных гипотез и теорий, которые предсказывают будущее Вселенной. Одни утверждают, что Вселенная имеет начало и будет иметь конец, другие, что Вселенная будет существовать вечно. Как бы то ни было, в сегодняшней статье мы рассмотрим наиболее вероятные сценарии будущего Вселенной.
Вселенная вечна?
Прежде считалось, что Вселенная может существовать вечно: она просто была, есть и будет. Но модели, разработанные на основе уравнений Эйнштейна, показали, что Вселенная не должна быть статичной (неизменной), она может эволюционировать. В 1920-х годах бельгийский священник и астроном Жорж Леметр разработал концепцию Большого взрыва. В сочетании с наблюдениями Эдвина Хаббла о расширяющейся Вселенной, астрономы пришли к мнению, что у Вселенной было начало, а значит, может быть конец.
И только в 1960-х годах, наблюдения при помощи мощных телескопов подтвердили Большой Взрыв. Тогда радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение. Также стало понятно, что активные галактики преимущественно наблюдаются в очень далёкой части Вселенной, а, следовательно, они существовали очень давно, когда Вселенная была значительно моложе, чем сегодня, а значит Вселенная эволюционирует и не может быть вечной и неизменной.
Может ли Вселенная сжаться?
Что будет в будущем со Вселенной в большей степени определяется её геометрией, а точнее, кривизной пространства на масштабах всей Вселенной. Определить кривизну Вселенной нам поможет обычная геометрия, нам просто нужно посчитать сумму углов в треугольнике, но поскольку кривизна является очень маленькой, то треугольник должен быть огромным. Мы можем построить треугольник, с размером во всю видимою Вселенною, где вершинами будут служить далёкие галактики.
Если сумма углов этого треугольника будет больше 180 градусов, то геометрия Вселенной замкнутая и она подобна сфере. В замкнутом Вселенной сила притяжения остановит расширение и Вселенная начнёт сжиматься, пока вся материя не колапсует в сингулярность. Такая теория называется Теория Большого сжатия.
Теорию Большого сжатия можно рассматривать как теорию Большого взрыва, только наоборот.
Но последние исследования предполагают существование тёмной энергии, которая имеет свойства антигравитации, а значит есть вероятность, что силы притяжения не хватит, чтобы преодолеть антигравитацию, поэтому расширение будет продолжаться вечно.
Тепловая смерть Вселенной?
Но существует и другой сценарий конца Вселенной, это тепловая смерть Вселенной. Если сумма углов треугольника есть меньше или равна 180 градусам, то геометрия Вселенной соответственно является гиперболической или евклидовой соответственно. В первом случае Вселенную называют открытой, а в другом — плоской. В обоих случаях Вселенную ждёт вечное расширение, а следовательно, тепловая смерть.
По этой теории Вселенная рассматривается как замкнутая термодинамическая система, так как она не обменивается энергией с другими системами, ведь не существует других Вселенных вне нашей. Согласно второму закону термодинамики, замкнутая система всегда стремится к равновесному состоянию то есть к состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все процессы, происходящие во Вселенной, должны рано или поздно прекратиться, а все частицы будут разнесены на бесконечное расстояние друг от друга и не смогут взаимодействовать.
Хотя эта теория является сомнительной, поскольку мы неуверены в вечном расширении Вселенной, а также есть сомнения в том, что наша Вселенная единственная и является замкнутой системой. Также некоторые учёные считают, что второй закон термодинамики неточен.
Большой разрыв
Один из самых страшных сценариев конца Вселенной является Большой разрыв. При таком сценарии конец Вселенной наступит приблизительно через 22 млрд лет.
С увеличением скорости расширения Вселенной сфера Хаббла (часть Вселенной, отдаляющаяся от нас с досветовой скоростью) будет сжиматься, а значит всё более и более близкие к нам объекты будут удаляться от нас со скоростью света. Таким образом, за 60 млн лет до Большого разрыва распадутся галактики, за 3 месяца до Большого разрыва, сфера Хаббла будет размером с Солнечную систему, за 30 минут до Большого разрыва — с Землю, а за одну наносекунду до Большого разрыва будут разорваны все атомы. Что произойдёт в момент самого Большого разрыва нам неизвестно, но считается, что все известные законы физики перестанут работать, а пространство и время просто потеряют свой смысл. Хотя существуют гипотезы о том, что после этого на месте нашей Вселенной могут рождаться новые вселенные.
На данный момент учёные точно не могут сказать которая из выше упомянутых теорий является верной, ведь нам не известно, как поведёт себя тёмная энергия в будущем, а также многие параметры Вселенной, но последние исследования указывают на то, что Вселенная закончит свою жизнь в результате Большого разрыва.
Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Также сегодня хочу порекомендовать вам канал моего коллеги Вестник Галактики . Канал о космосе, физике и высоких технологиях: сложные вещи простыми словами, последние новости и интересные факты из мира науки.
Источник