Сегодня в журнале «Нейчер астрономи» (Nature Astronomy) опубликована весьма любопытная статья, авторы которой утверждают, что Вселенная может быть закругленной и закрытой как сфера, а не плоской, как лист бумаги, на чем настаивает стандартная космологическая теория. Ученые заново проанализировали большой массив космологических данных и пришли к заключению, что эта информация с 99-процентной долей вероятности указывает на замкнутость Вселенной, хотя другие данные говорят о том, что она плоская.
Речь идет о данных, полученных космическим телескопом «Планк». Это были наблюдения за древним светом, носящим название космический микроволновый фон (реликтовое излучение). «Они однозначно указывают на модель замкнутой Вселенной», — сказал Алессандро Мелькиорри (Alessandro Melchiorri) из Римского университета Сапиенца. Это он написал новое исследование в соавторстве с Элеонорой ди Валентино (Eleonora di Valentino) из Манчестерского университета и с Джозефом Силком (Joseph Silk), основным местом работы которого является Оксфордский университет. На их взгляд, несоответствие данных космического фона о закрытом характере Вселенной и других данных, свидетельствующих о ее плоской форме, представляет собой «кризис космологии», который требует «радикального переосмысления».
Однако группа работающих с телескопом «Планк» ученых в 2018 году сделала иные выводы по результатам проведенного анализа. Космолог из Сассекского университета и сотрудник обсерватории «Планк» Энтони Льюис (Antony Lewis) рассказал о самом простом объяснении этой особенности данных космического фона. По его мнению, те данные, которые Валентино, Мелькиорри и Силк истолковали как доказательство сферичности Вселенной, являются просто «статистической неточностью». Льюис и другие эксперты говорят, что они уже внимательно изучили данный вопрос, а также соответствующие загадки в данных.
«Бесспорно, эти признаки на определенном уровне существуют, — сказал космолог из Университета Джонса Хопкинса Грэм Эддисон (Graeme Addison), не участвовавший в новом исследовании и в анализе данных „Планка". — Разногласия существуют только в вопросе толкования».
Является ли Вселенная плоской — то есть, остаются ли навсегда параллельными два луча света, идущие через космическое пространство, вместо того, чтобы со временем пересечься и вернуться обратно в начальную точку, как в замкнутой Вселенной — в первую очередь зависит от плотности Вселенной. Если вся материя и энергия во Вселенной, включая темную материю и темную энергию, дойдет до такой концентрации, при которой расширение вовне уравновесит энергию направленного вовнутрь гравитационного притяжения, космос расширится в одной плоскости во всех направлениях.
Преобладающая научная теория о рождении Вселенной, известная как космическая инфляция, свидетельствует об абсолютной плоскостности Вселенной. Проведенные с начала 2000-х годов наблюдения показывают, что наша Вселенная почти плоская и должна приближаться к критическому значению плотности, которое расчетно составляет по массе около 5,7 атома водорода на кубометр космического пространства, большая часть которого невидима.
Телескоп «Планк» измеряет плотность Вселенной, рассчитывая, какое количество космического фонового света в СВЧ-диапазоне отразилось или отклонилось за счет гравитации, проходя в течение 13,8 миллиарда лет через Вселенную. Чем больше материи эти фотоны космического фона встречают на своем пути во Вселенной, тем больше они могут отклоняться, и в этом случае направление их движения уже не так строго отражает начальную точку в ранней Вселенной. В данных это проявляется в виде эффекта размытости, когда в пространственной модели света сглаживаются определенные пики и падения. Согласно данным нового анализа, большое количество отклонений космического фона говорит о том, что Вселенная процентов на пять плотнее критического значения плотности. То есть, в среднем это шесть атомов водорода на кубометр, а не 5,7. Значит, гравитация побеждает, и космос закольцовывается.
Ученые обсерватории «Планк» еще несколько лет тому назад заметили этот эффект отклонения, который оказался больше ожидаемого. Наиболее заметно эта аномалия проявилась в их окончательном анализе полного набора данных, опубликованного в прошлом году. Если Вселенная плоская, то, согласно прогнозам космологов, размеры изогнутости не выходят за рамки «стандартного среднеквадратического отклонения» со значением 0, что объясняется случайными статистическими изменениями данных. И команда «Планка», и авторы новой работы обнаружили, что данные космического фона СВЧ отклоняются на 3,4 значения среднеквадратического отклонения. Если предположить, что Вселенная плоская, это невероятное везение — как если брошенная монета 11 раз подряд падает вверх решкой, что случается менее чем в одном проценте случаев. Ученые обсерватории «Планк» объясняют эти показатели как раз таким везением или неким неучтенным эффектом, который размывает свет космического фона в СВЧ-диапазоне, имитируя дополнительную материю.
А может, Вселенная действительно замыкается? Валентино с коллегами отмечает, что такая закрытая модель дает ответы на другие аномальные находки в космическом фоне СВЧ-диапазона. Например, исследователи выводят значения ключевых составляющих нашей Вселенной, такие как количество темной материи и темной энергии, измеряя изменения цвета космического микроволнового фона, исходящего из разных частей звездного неба. Что любопытно, они получают разные ответы, когда сопоставляют маленькие участки неба, и когда сопоставляют большие участки. Авторы отмечают, что если пересчитать эти значения, исходя из сферичности Вселенной, ответы ничем не будут отличаться.
Космолог Уилл Кинни (Will Kinney), работающий в Университете штата Нью-Йорк в Буффало, назвал «очень интересной» эту особенность модели закрытой Вселенной. Вместе с тем, он отметил, что несоответствия между вариациями больших и малых масштабов, наблюдаемые в свете космического фона СВЧ, вполне могут быть статистическими колебаниями, или возникать в результате той же самой невыявленной ошибки, которая влияет на измерения отклонений.
На форму Вселенной влияют шесть ключевых свойств, о чем говорит стандартная теория космологии «Лямбда Си Ди Эм» (ΛCDM). Согласно ей, Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, темной энергией (обозначаемой греческой буквой Λ — лямбда) и холодной темной материей (CDM). Эта теория точно описывает почти все свойства космоса. Но «Лямбда Си Ди Эм» не говорит ни о какой изогнутости; согласно этой теории, Вселенная плоская.
Авторы нового исследования по сути дела утверждают, что теории «Лямбда Си Ди Эм» может понадобиться седьмой параметр, описывающий изогнутость Вселенной. Если добавить такой седьмой параметр, соответствие данных по отклонениям будет точнее.
Однако другие космологи утверждают, что прежде чем всерьез рассматривать аномалию и добавлять в теорию седьмой параметр, надо принять во внимание все прочие положения, которые ΛCDM излагает верно. Конечно, мы можем сосредоточиться только на этой аномалии, когда решка выпадает 11 раз подряд, и сказать, что что-то не срослось. Но данных по реликтовому излучению так много, что это похоже на подбрасывание монеты сотни тысяч раз. Нетрудно себе представить, что сделав это, мы случайно получим 11 решек подряд. Физики иногда называют это «эффектом поиска где угодно».
Далее ученые отмечают, что в большинстве других измерений седьмой параметр не нужен. Есть второй способ определить пространственную кривизну по космическому микроволновому фону. Для этого надо измерить соотношение между светом из наборов по четыре точки в небе. Такая «реконструкция отклонений» показывает, что Вселенная плоская, и никакой седьмой параметр не нужен. Кроме того, независимые наблюдения за космологическими сигналами, носящими название барионные акустические колебания, тоже указывают на плоскостность Вселенной. Ученые из обсерватории «Планк» в своем анализе за 2018 год объединили измерения колебаний с двумя другими измерениями и получили общее значение искривления пространства в пределах одного стандартного среднеквадратического отклонения от нуля.
Валентино, Мелькиорри и Силк считают, что когда три набора данных собираются воедино, это скрывает тот факт, что разные массивы данных не согласуются между собой. «Главное здесь не в том, что Вселенная смыкается, — написал Мелькиорри по электронной почте, — Проблема состоит в несоответствии между данными. А это указывает на то, что в настоящее время нет согласованной модели, и что мы что-то упускаем». Иными словами, «Лямбда Си Ди Эм» — это ошибочная или неполная теория.
Все остальные ученые, с которыми мы беседовали во время подготовки этой статьи, считают, что научные данные убедительно указывают на плоскую форму Вселенной. «С учетом всех прочих измерений, — сказал Эддисон, — самая четкая интерпретация данных обсерватории „Планк" указывает на то, что это статистические отклонения. Может быть, это вызвано небольшой неточностью в расчетах и анализе, может, это просто помехи, а может, случайность. Так или иначе, у нас нет достаточных оснований воспринимать замкнутую модель Вселенной всерьез».
Нельзя сказать, что в этой космологической картине наличествуют все составляющие. Теория ΛCDM как будто неверно прогнозирует нынешнюю скорость расширения Вселенной, что вызывает проблему константы Хаббла. Но если предположить, что Вселенная замыкается, проблема не будет решена. На самом деле, если сюда еще добавить искривление, прогнозы по скорости расширения будут еще хуже. Если не считать аномальные данные измерений «Планка», нет никаких оснований полагать, что Вселенная является закрытой сферой.
«Время покажет, но меня лично этот вопрос не очень волнует, — сказал Кинни, имея в виду предположения о закруглении Вселенной на основании данных реликтового излучения. — Это своего рода похожие аномалии, которые на деле оказались паром».