Як визначити геометрію Всесвіту
Якби ви могли вийти за межі Всесвіту, то якби це все виглядало ззовні? Насправді науковці борються із цим питанням близько століття проводячи різноманітні спостереження та вимірювання. Вони намагаються зрозуміти точну геометрію космосу, яка до слова визначає його долю. Тож чи дійсно Всесвіт нескінченний чи має якісь межі? Якщо так, то чи має він якусь форму, яку можна описати, чи бодай якось зрозуміти?
Форма видимого Всесвіту
Коли мизамислюємося, яку форму має Всесвіт, це сфера , так як більшість об'єктів, які ми бачимо у Всесвіті - сферичні. Видимий Всесвіт, тобто та частина Всесвіту, яку ми можемо спостерігати, дійсно виглядає, як бульбашка із Землею в її центрі. Це звичайно не означає, що Земля - центр Всесвіту, а лише означає, що ми бачимо об'єкти світло від яких встигло до нас долетіти за весь час існування Всесвіту(13,8 млрд років з моменту Великого Вибуху) решту Всесвіту нам не побачити, тому що світло до нас від нього ще не дісталося.
Здавалося б що радіус видимого Всесвіту повинен бути 13,8 млрд світлових років, але насправді він більший. Через розширення простору найвіддаленіші об'єкти, які ми бачимо втекли від нас ще далі - приблизно на 46 млрд світлових років. Тобто фактично видимий Всесвіт - сфера діаметром приблизно 93 млрд світлових років.
Увесь Всесвіту може бути в декілька або сотні разів більший за видиму його частину, тому визначити його форму - це завдання м'яко кажучи не просте.
Основне питання з яким борються науковці - це чи Всесвіт є скінченним? Якщо так, то якої він має бути форми?
Що впливає на форму Всесвіту?
Одним із найбільшим відкритям загальної теорії відносності - маса матерії повинна викривляти простір. Тобто будь який об'єкт по різному викривляє простір, що заставляє об'єкти рухатися по викривленим траєкторіям. Викривлення може бути як і не значним так і замикатися сам в собі в залежності наскільки велика маса його викривляє.
Однак на великих масштабах маса Всесвіту викривляє простір Всесвіт повинен мати якусь кривизну, яку спричиняє загальна маса та енергія в ньому.
Кривизна Всесвіту залежить не тільки від маси та енергії, а так ще від одного параметру. Справа в тому, що наш Всесвіт це постійна боротьба двох фундаментальних сил - розширення простору та сили тяжіння.
Розширення намагається розширити Всесвіт і розірвати галактичні скупчення, а сила тяжіння намагається стиснути все в одну точку. То ж форма Всесвіту та його майбутнє залежить, яка з цих сил переможе.
Швидкість розширення виражається постійною Габбла, яка по сучасним оцінкам - 73 км/с/Мпарсек, а сила тяжіння загальною масою та енергією Всесвіту.
Але оскільки ніхто не знає розмірів Всесвіту, можна визначити середню густину Всесвіту , яка є одиницею маси на одиницю об'єму.
Щоб визначити форму Всесвіту науковці підрахували критичну густину. Критична густина - середня густина матерії та енергії у Всесвіті за якої жодна з двох сил не переможе. Тобто саме така густина, яка буде потрібно для зупинення розширення, але дуже поступово. Враховуючи швидкість розширення критична густина повинна складати - 6 атомів водню/квадратний метр. Порівнюючи критичну із фактичною густиною науковці можуть зрозуміти його форму та його майбутнє.
Три можливі форми Всесвіту
Загальна теорія відносності дозволяє Всесвіту мати тільки три форми принаймі геометрично. Якщо фактична густина Всесвіту буде меншою за критичну, то простір буде розширюватися вічно. Отрмана форма буде вигнутою, як поверхня сідла (2 зображення). Цей Всесвіт відомий, як Всесвіт з негативною кривизною.
Якщо фактична густина перевищує критичну то сили гравітації буде достатньо, щоб його стиснути. Галактики припинять тікати одна від одної, і навпаки наближатися. В решті решт Всесвіт зазнає великого стискання, тобто Великий Вибух навпаки. Цей Всесвіт буде у вигляді сфери і його називають Всесвіт з позитивною кривизною. Він замкнутий сам в собі. Тобто він скінченний, але не має меж. Довгий час науковці вважали, що Всесвіт має саме таку форму.
Якщо фактична густина Всесвіту = критичній, тоді Всесвіт вважається плоским, як аркуш паперу але нескінченний за розмірами.
Пояснення геометрії Всесвіту
Дані форми не до кінця дають розуміння, яку форму має наш Всесвіт, але на щастя є спосіб пояснити її простіше. Для цього використовують два паралельні промені світла, які не зустрічають на своєму шляху ніяку матерію. Завдяки такому підходу на рух фотонів, які рухаються завжди прямо буде впливати тільки глобальна кривизна самого простору.
Якщо б наш Всесвіт був закритий(з позитивною кривизною) то ці два промені поступово наближалися один до одного і в якісь далекій точці врешті перетнулися.
Якщо Всесвіт відкритий(з негативною кривизною) то два промені поступово будуть віддалятися один від одного і ніколи не зустрінуться.
Якщо Всесвіт плоский (критична густина = фактичній) два промені постійно будуть рухатися паралельно один одному протягом всього часу.
Плоский Всесвіт це ідеальна рівновага між стисканням і безкінечним розширенням простору. І уявіть собі здивування астрономів, коли вони виявили, що нас Всесвіт - плоский, але не у двохвимірному а в трьохвимірному значенні. Плоский звичайно не означає , що планети, зорі та інші об'єкти - плоскі, а лише те, що він нескінченний та однаковий у всі сторони.
Про це говорять різноманітні дослідження та спостереження з похибкою менше 1% а також передбачено в межах теорії космологічної інфляції.
Що потрібно враховувати оцінюючи масу Всесвіту?
У зв'язку з тим, що ми знаємо що Всесвіт практично однорідний у всі сторони, щоб дізнатися середню густину достатньо порахувати густину лишень у видиій його частині і це буде справедливо для всього Всесвіту. Густина це відношення маси до об'єму в певній ділянці простору, але це геть не просто. Так як потрібно вирахувати не тільки масу всіх планет, зір, супутників, газ хмару та пилу, галактик а також того, що ми не можемо побачити в телескоп.
Темна матерія, яка складає 27% маси Всесвіту це химерний вид матерії, яка проявляє себе виключно гравітаційно. Вона змушує галактики та скупчення галактик, як цілісні структури. Тому без темної матерії складно пояснити спостережувальну поведінку галактик та їх скупчень.
Темна енергія - є ще більш химерною формою матерії чи енергії, яка складає 68% маси Всесвіту, яка відштовхує все навколо і навіть прискорює розширення Всесвіту. Темна енергія - це енергія простору , а отже її враховують в загальну масу простору.
Приклади визначення густини Всесвіту
Одним із способів визначення маси найбільших структур - такі як скупчення галактик. Для цього використовують фізичну особливість - гравітаційне лінзування. Цей ефект з'являється коли маса скупчення є достатньою , щоб викривляти простір позаду себе. Завдяки цьому ефекту науковці визначили, що маса складає близько 30% від критичної густини. Але ці 30% враховують лише видиму матерію та темну матерію, яка також присутня в скупченнях. Але якщо додати до цієї цифри темну енергію виходить плаский Всесвіт. Де фактична густина = критичній , в межах можливої похибки.
Як напряму побачити кривизну космосу?
Але кращий спосіб визначити кривизну простору це не обчислювати його маси а виміряти саму кривизну простору напряму. Щоб це зробити достатньо використати звичайну геометрію.
Тому для цього науковці малюють трикутники. На позитивно вигнутій формі Всесвіту (сфера) сума кутів трикутника буде 270 градусів(всі кути по 90 градусів)
На негативній вигнутій поверхні (вигляд сідла) сума кутів буде менше 180 градусів, а у плоскому Всесвіті сума кутів буде дорівнювати 180 градусів.
Але для того, щоб було максимально точно із найменшою моживою похибкою трикутник має бути максимально великим. Для цього беруть найдавніше світло а саме зображення реліктового випромінювання і малюють трикутники. Наступним способом: на одній вершині Земля а на двох інших протилежні точки типової гарячої плями на карті реліктового випромінювання.
Кути більші за 180 градусів, а кутовий розмір плям здавався б більшим ніж у плоскому.
Кути менші за 180 градусів, а кутовий розмір плям здавався б меншим ніж у плоскому.
Завдяки космічному апарату WMAP, науковці визначили, що плями виглядають саме такими як при пласкому Всесвіті з похибкою меньше 1%. Коли європейське космічне товариство запустило свій апарат Planck, він показав що всесвіт з позитивною вигнутою кривизною, але вчені стверджують, що дані Planck потрібно поєднувати з іншими зондами і якщо це зробити знову виходить , що Всесвіт плоский. Також різні методи дослідження дають один результат - плоский Всесвіт.
Яка доля нашого Всесвіту?
Якщо форма Всесвіту визначена вірно тоді темна енергія буде вирішувати його долю поступово набираючи більшу і більшу швидкість, а галактики, які ми зараз спостерігаємо будуть і надалі втікати від нас і врешті решт, вони віддаляться настільки, що ми їх більше не побачимо, а зможемо спостерігати лише за Чумацьким Шляхом. А коли останні зірки догорять , Всесвіт буде дійсно холодним та порожнім. Але це справедливо тільки , якщо ми правильно розуміємо як працює темна енергія, а ми що до цього невпевнені.
Але геометрично плоский Всесвіт не означає, що він не може мати різноманітну топологію. Загальна форма Всесвіту не обов'язково має бути нескінченною та без меж навіть у плоскому Всесвіті.
Найбільш вивченною топологією - є 3-тор, форму яку майже не можливо уявити. Але у 2-х вимірному Всесвіті, щось схоже на це(зображення внизу).
