[Перевод] На несимметричной карте космоса видны следы его происхождения

На изображении ранней Вселенной, полученном с телескопа Планка, видна странная закономерность: температурные флуктуации в части неба справа от серой линии сильнее, чем в его части с левой стороны от линии

Если наша вселенная врезалась в соседнюю в момент своего резкого роста в первую секунду существования, то такое столкновение оставило бы след. И Мэтью Клебан считает, что он наблюдает именно такой след в самом детальном из существующих снимков зари Вселенной. Изображение со спутника подтверждает вывод, сделанный из предыдущей фотографии: одна половина молодого космоса была более крупнозернистой, чем другая.

Поскольку другой информации о том, что происходило в первые моменты существования Вселенной, довольно мало, Клебан вместе с десятками космологов-теоретиков пытается собрать воедино историю происхождения космоса на основе новой зернистой подсказки.


Мэтью Клебан, адъюнкт-профессор физики в Нью-Йоркском университете и аспирант Марджори Шилло обсуждают столкновение двух пузырей-вселенных

«Когда они врезались друг в друга, возникла ударная волна, распространившаяся по нашей Вселенной», – сказал Клебан. Такая волна – если это именно её показывает снимок – послужила бы доказательством гипотезы мультивселенных, известной, но недоказанной идеи о том, что наша Вселенная – лишь одна из бесконечного количества вселенных, возникающих в необозримом вакууме.

Большинство космологов считают, что этот след может быть ложным.

«Это игра с высокими ставками», – сказал Марк Камионковски, профессор физики и астрономии в университете им. Джона Хопкинса, предлагавший несколько новых моделей Большого взрыва, объяснявших асимметрию между двумя половинками космоса. «Мы хотели бы узнать ещё больше о происхождении Вселенной, но природа не даёт нам слишком много подсказок». Асимметрия «может оказаться статистическим отклонением, – говорит Камионковски, – или же это может быть только верхушка айсберга».

Всех рассудят время или хитрые тесты.

Асимметрия нашей Вселенной прослеживается в реликтовом излучении – послесвечении, оставшемся от того момента, когда Вселенная стала прозрачной через 380 000 лет после Большого взрыва. Туман заряженных частиц, до того момента заполнявший пространство, охладился достаточно для того, чтобы сгуститься в нейтральные атомы, и освободил свет, который впервые мог путешествовать беспрепятственно. За последние несколько лет спутник Планк Европейского космического агентства собрал 50-мегапиксельное изображение этого света, исходящего со всех сторон, и у каждого полученного фотона записана температура, с которой он был испущен 13 млрд лет назад.

Космологи считают, что квантовые флуктуации времён Большого взрыва растянулись во время экспоненциального роста, известного, как инфляция, и превратились в горячие и холодные места, послужившие семенами галактик и войдов.

Реликтовое излучение показывает, что температура в 380 000-летней Вселенной была почти однородной, и отклонялась от среднего значения всего на 1 часть из 100 000. Считается, что относительно холодные и горячие участки – семена будущих галактик и войдов – произошли от квантовых флуктуаций, случайных всплесков энергии, усиленных во время экспоненциального роста в первый момент существования Вселенной, известный, как инфляция.

Космологи хотят отследить этот процесс назад, к причине его возникновения.

За отсутствием представлений о том, как работает физика в экстремально горячем и сжатом состоянии, существовавшем в новорожденной Вселенной, физики пользуются «игрушечной моделью» события: инфляционное поле, заполняющее всё пространство, перешло в нестабильное состояние примерно через 10^-36 с после Большого взрыва, что привело к раздутию пространства в 10⁷⁸ раз, после чего инфляционное поле снова стабилизировалось через 10^-30 с. Согласно этой модели, космос должен был растянуться равномерно, и превратиться в однородно случайное пятнистое распределение горячих и холодных участков в реликтовом излучении. Но данные опровергают это мнение.

«С одной стороны, горячие и холодные участки горячее и холоднее, чем с другой», – поясняет Камионковски.

Космический аппарат Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, или WMAP, впервые обнаружил доказательства того, что флуктуации в одной половине реликтового излучения сильнее, чем в другой, в 2007 году. Но тогда это можно было списать на ошибку измерений. Карта Планка усилила эти доказательства и показала флуктуации в большей детализации, что позволило физикам отбросить несколько объяснений и придумать несколько других.

Асимметрия температурных флуктуаций Вселенной, как и топографическая разница на территориях США, лучше всего видна на самых крупных масштабах. Квадратный метр земли в Колорадо не сильно холмистее, чем квадратный метр в Индиане, но при увеличении горы и долины Колорадо становятся гораздо виднее. «Одну часть неба можно представить, как Индиану, а другую – как Колорадо, – говорит Донгхью Джонг, доктор наук из группы Камионковски. – Эти колебания очень странные. Сложно представить, из-за чего они возникли».

Некоторые космологи считают, что это статистическое отклонение. Шансы того, что при рождении Вселенной могла случайно появиться такая асимметрия, находятся в промежутке от 0,1% до 1% — примерно такие же, как шансы у подбрасываемой монетки выпасть решкой восемь раз подряд.

«Если бы я ставил деньги на это, я бы поставил на флуктуацию», – сказал Шон Кэррол, космолог из Калифорнийского технологического института. – Но смысл в том, что мы не на деньги играем. Если эта информация рассказывает нам что-либо о ранней вселенной, это может быть чрезвычайно важным».

Космологи уже выдвинули несколько конкурирующих теорий, объясняющих то, как события во время и сразу после Большого взрыва могли создать эту асимметрию.

Мало кто верит, что игрушечная модель, в которой внезапно появилось поле инфляции, может полностью объяснить, что дало начало вселенной. Это поле может оказаться одним из дополнительных свёрнутых измерений пространства, о которых говорит нам гипотетическая «теория всего», теория струн, в которой, скорее всего, должно быть несколько инфляционных полей. В работе на сайте arXiv.org Джон Макдональд, космолог из Ланкастерского университета в Британии, показал, что двухполевая модель может объяснить асимметрию реликтового излучения, если второе, курватонное поле, распалось по окончанию инфляции и после формирования тёмной материи.

В качестве иного объяснения, данного в статье для журнала Physical Review D, Камионковски с коллегами подсчитали, что ассиметрия могла возникнуть из вариаций определённых космологических параметров в разных местах Вселенной. Одна из наиболее вероятных моделей, в которой описано 6% изменение параметра с одного конца Вселенной до другого, «достаточно неплохо соответствует наблюдениям», – сказал Камионковски. Параметр можно привязать к разным дефектам пространства-времени, которые, согласно некоторым теориям, могли стать катализаторами инфляции.

Или, как Клебан и его коллеги показывают в статье, вышедшей в Physical Review D, и в следующей своей работе, асимметрия могла появиться в результате резкого столкновения двух вселенных или двух точек нашей Вселенной. В гипотезе мультивселенной пузыри часто должны возникать неподалёку друг от друга и сталкиваться. Также пузыри способны столкнуться сами с собой во время расширения вокруг какого-нибудь скрученного пространственного измерения (можно представить себе круг, растущий на поверхности цилиндра). Такое столкновение могло запустить инфляцию.

Если ударную волну от такого столкновения можно будет увидеть в реликтовом излучении, это будет явное доказательство в пользу теории мультивселенной, говорит Клебан. Но, скорее всего, край ударной волны скрылся за горизонтом наблюдаемой части Вселенной, оставив позади себя, будто прошедший мимо корабль, лёгкую турбулентность. На карте Планка могут быть изображены растянутые остатки такого следа.

Эти остатки «повлияют на самые крупномасштабные структуры, наблюдаемые нами», сказал Клебан. Они должны были увеличиться в размерах с расширением Вселенной, что должно было привести к эффекту, сходному к топографическим различиям между Колорадо и Индианой.

Поскольку каждая следующая модель инфляции выдаёт свои предсказания о направлении поляризации древнего света, новая «карта поляризации» реликтового излучения поможет выбрать из гипотез верную. Пока что теоретикам необходимо подстраивать свои теории Большого взрыва к имеющимся данным. «Всегда будут недоказуемые вещи из-за отсутствия нужных технологий, – сказал Клебан. – Нужно лишь делать попытки и стараться изо всех сил».