Visuma forma — definīcija, ģeometrija un novērojumu pierādījumi

Uzzini Visuma formu: definīcija, lokālā un globālā ģeometrija, FLRW modelis un novērojumu pierādījumi — vai Visums ir plakans un kā to nosaka?

Visuma formu nevar apspriest ar ikdienišķiem terminiem, jo visiem terminiem ir jābūt Einšteina relativitātes terminiem. Tāpēc Visuma ģeometrija nav parastā Eiklīda ģeometrija, kas raksturīga mūsu ikdienas dzīvei. Visuma “forma” kosmoloģijā parasti nozīmē telpas lokālo izliekumu un iespējamās globālās īpašības (topoloģiju), kas abas ietekmē gaismas ceļu, objektu attālumus un novērojamo strukturēšanos.

Saskaņā ar īpašo relativitātes teoriju nav iespējams pateikt, vai divi dažādi notikumi notiek vienlaikus, ja šie notikumi ir atdalīti telpā. Runāt par "Visuma formu (kādā laika brīdī)" ir naivi no īpašās relativitātes viedokļa. Vienlaicības relativitātes dēļ mēs nevaram runāt par dažādiem telpas punktiem kā par "vienlaicīgiem laika punktiem", nedz arī par "Visuma formu kādā laika punktā". Tomēr vispārējā relativitāte un kosmoloģiskie modeļi ļauj definēt īpašu laika koordinātu — kosmisko laiku — un sagrupēt telpu “vienā laika griezumā” (konstantā kosmiskā laikā). Šos laika griezumus izmanto, lai runātu par Visuma lokālo ģeometriju un izliekumu.

Novērojamais Visums

Astrofiziķi jautā, vai konkrēts Visuma modelis atbilst tam, kas ir zināms no novērojumiem un mērījumiem Visumā. Ja novērojamais Visums ir mazāks par visu Visumu (dažos modeļos tas ir par daudzām kārtām mazāks vai pat bezgalīgi mazs), tad novērojumi aprobežojas ar daļu no visa Visuma. Novērojamais Visums ir sfērisks apjoms (bumba), kura centrā ir novērotājs, neatkarīgi no Visuma formas kopumā. Katrai vietai Visumā ir savs novērojamais Visums; tie var pārklāties vai nebūt pārklāti, un tie vienmēr ir ierobežoti ar gaismas ceļa ilgumu kopš Lielā sprādziena (partiklu apgabals / particle horizon).

Šajā kontekstā ir svarīgi atšķirt divus apsvērumu veidus:

1. lokālā ģeometrija — īpaši attiecas uz Visuma izliekumu, jo īpaši novērojamajā Visumā, t. i., uz to, kā vietējā telpa atšķiras no plakanas Eiklīda telpas (pozitīvi izliekta — sfēriska, negatīvi izliekta — hiperbiska, vai plakana);
2. globālā ģeometrija — attiecas uz Visuma topoloģiju kopumā, t. i., vai telpa ir bezgalīga vai galīga, vienkārši savienota vai daudzreiz savienota (piemēram, trīsdimensiju torus), ko tiešā veidā novērot var nebūt iespējams, ja periodiskās vai atkārtojošās struktūras ir lielākas par novērojamo apjomu.

Lokālā ģeometrija — izliekuma mērījumi

Lokālo izliekumu kosmoloģijā parasti kvantificē ar dimensionless parametru Ω_k (vai kopējo blīvuma parametru Ω_total). Ja Ω_total = 1, Visums ir lokāli plakans; ja Ω_total > 1, telpa ir pozitīvi izliekta (slēgta — līdzīgi 3‑sfērai); ja Ω_total < 1, telpa ir negatīvi izliekta (hiperbiska, “atvērta”). Mērījumus veic, izmantojot vairākus neatkarīgus datu avotus:

• kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) anizotropijas un akustiskās svārstības (skaņas horizonta leņķiska izmēra noteikšana),
• Bāra akustiskās oscilācijas (BAO) galaktiku sadalījumā, kas dod standarta mērvienību attālumam,
• tipu Ia supernovu attālumu un sarkano nobīdes sakarību,
• galaktiku klasteru, lēcas un citas gravitatīvas probes.

Šie mērījumi kopā ļāvuši noteikt, ka lokālā izliekuma novērojumu ierobežojumi ir ļoti tuvi nullei: Visuma lokālā ģeometrija mūsu novērojamā apgabalā ir ļoti tuvu plakanei. Kā norādīts, NASA ir paziņojusi: "Tagad mēs zinām, ka Visums ir plakans ar tikai 0,4 % kļūdu." Tas nozīmē, ka novērojamo parametru kļūdas robežās Ω_total atšķiras no 1 par mazāk nekā ~0,4 % (šķietami atkarīgs no datu kopas un pieņēmumiem), un to visbiežāk interpretē kā atbalstu inflācijas scenārijiem, kuri paredz, ka telpa jāizlīdzina ļoti precīzi.

Globālā ģeometrija — topoloģija

Pat ja lokālā ģeometrija ir plakana, Visums var būt globāli neparasts — piemēram, plakans, bet ar daudzreiz savienotu topoloģiju (3‑toruss), kas padara telpu galīgu bez robežām. Citas iespējas ir galīgā sfēriskā topoloģija (3‑sfēra vai citi slēgti pozitīvi izliekti varianti) vai dažādas hiperbiskas galīgākas topoloģijas. Topoloģiju var mēģināt atklāt, meklējot:

• atbilstošas, atkārtojošas struktūras vai “dublētas” objektu pozīcijas debess kartēs,
• saskaņotas “apļu” (matched circles) pazīmes CMB pilnā debesu attēlā, kas rastos, ja gaisma būtu ceļojusi apkārt kompaktai telpai,
• neparastus statistikas raksturlielumus CMB anizotropijās un lielu mēroga korelācijās.

Līdz šim nav atrastas pārliecinošas liecības par maza mēroga daudzreiz savienotu topoloģiju mūsu novērojamajā Visumā; ja tāda eksistē, tās periods, visticamāk, pārsniedz novērojamo apjomu.

Praktiski ierobežojumi un interpretācija

Ir svarīgi atcerēties dažus ierobežojumus:

• novērojumi attiecas tikai uz novērojamo Visumu — nekas neļauj tieši mērot Visuma īpašības ārpus gaismas horizonta,
• mērījumu interpretācija ir atkarīga no modeļa pieņēmumiem (piem., par tumsu enerģiju, reālo un virtuālo komponenšu sadalījumu un kosmiskā laika definīciju),
• daudzi novērojumu rezultāti ir statistiski un var mainīties, pieaugot datu kvalitātei vai mainoties sistēmiskām kļūdām,
• relatīvisma princips nozīmē, ka “forma” ir jāsaprot ģeometriski — kā telpas metri un ģeometriskas īpašības uz konstanta kosmiskā laika šķēlēm — nevis kā vienkāršs trīsdimensiju attēlojums mūsu intuīcijai.

Kopsavilkums

Lokālā ģeometrija (izliekums) un globālā ģeometrija (topoloģija) ir atsevišķi, bet saistīti jautājumi. Mūsu novērojamajā Visumā dati liecina par ļoti tuvu lokālo plaknību, ar kļūdām, kas mērogā ir mazākas par procentu. Tomēr tas neizslēdz iespēju, ka Visums kopumā var būt galīgs vai daudzreiz savienots un ka daudzas īpašības paliek neatklātas ārpus novērojamā apjoma. Kosmoloģijas nākotnes mērķis ir precizēt šos ierobežojumus, apvienojot CMB, BAO, supernovu un citus mērījumus, kā arī izpētīt topoloģijas pazīmes plašākos mērogos.

Jautājumi un atbildes

J: Kāda ir Visuma forma saskaņā ar pašreizējiem novērojumiem?

J: Kā īpašā relativitāte ietekmē mūsu izpratni par Visuma formu?

J: Kādu ģeometrijas veidu izmanto astrofiziķi, runājot par Visuma formu?

Vai katra vieta Visumā ir daļa no novērojamā Visuma?

J: Ko nozīmē jēdziens "plakans", kad runa ir par modeli, kas apraksta/prognozē Visuma aspektus?

Vai ir citi modeļi, kas atbilst novērojumu datiem, izņemot FLRW bezgalīgi plakano modeli?

Meklēt pēc burta