Направление - это то, к чему мы, люди, привыкли. Живя в нашей дружественной земной среде, мы привыкли видеть вещи вверх и вниз, влево и вправо, вперед или назад. И для нас наша система отсчета фиксирована и не меняется, если мы не движемся или не движемся. Но когда дело доходит до космологии, все становится немного сложнее.
Долгое время космологи придерживались мнения, что вселенная однородна и изотропна, т. Е. Принципиально одинакова во всех направлениях. В этом смысле нет такого понятия, как «вверх» или «вниз», когда речь идет о пространстве, только точки отсчета, которые являются полностью относительными. И благодаря новому исследованию, проведенному учеными из Университетского колледжа Лондона, эта точка зрения оказалась верной.
Ради своего исследования под названием «Насколько изотропна Вселенная?» Исследовательская группа использовала данные съемки Космического микроволнового фона (CMB) - теплового излучения, оставшегося от Большого взрыва. Эти данные были получены космическим аппаратом Planck ЕКА в период с 2009 по 2013 год.
Затем команда проанализировала его с помощью суперкомпьютера, чтобы определить, были ли какие-либо поляризационные схемы, которые указывали бы, имеет ли пространство «предпочтительное направление» расширения. Цель этого теста состояла в том, чтобы выяснить, является ли одно из основных предположений, лежащих в основе наиболее широко принятой космологической модели, действительно правильным.
Первое из этих предположений заключается в том, что Вселенная была создана Большим взрывом, который основан на открытии, что Вселенная находится в состоянии расширения, и открытии Космического микроволнового фона. Второе предположение состоит в том, что пространство однородно и истропно, что означает, что нет больших различий в распределении вещества в больших масштабах.
Это убеждение, также известное как Космологический Принцип, частично основано на Принципе Коперника (который утверждает, что у Земли нет особого места во Вселенной) и теории относительности Эйнштейна, которая продемонстрировала, что измерение инерции в любой системе является относительным наблюдателю.
Эта теория всегда имела свои ограничения, поскольку вещество явно не распределено равномерно в меньших масштабах (то есть звездные системы, галактики, скопления галактик и т. Д.). Тем не менее, космологи спорят об этом, говоря, что флуктуации в малом масштабе происходят из-за квантовых флуктуаций, которые произошли в ранней Вселенной, и что крупномасштабная структура является однородной.
Исследуя флуктуации в самом старом свете во Вселенной, ученые пытались определить, действительно ли это правильно. В течение последних тридцати лет измерения такого рода выполнялись несколькими миссиями, такими как миссия Cosmic Background Explorer (COBE), микроволновый зонд анизотропии Уилкинсона (WMAP) и космический аппарат Planck.
Ради их исследования исследовательская группа UCL - во главе с Даниэлой Сааде и Стивеном Фини - смотрела на вещи немного по-другому. Вместо того, чтобы искать дисбалансы в микроволновом фоне, они искали признаки того, что пространство может иметь предпочтительное направление расширения, и как они могут запечатлеть себя на CMB.
Как Даниэла Сааде, аспирантка в UCL и ведущий автор статьи, рассказала Space Magazine по электронной почте:
«Мы проанализировали температуру и поляризацию космического микроволнового фона (реликтового излучения), реликтового излучения Большого взрыва, используя данные миссии Planck. Мы сравнили реальный CMB с нашими прогнозами того, как он будет выглядеть в анизотропной вселенной. После этого поиска мы пришли к выводу, что нет никаких доказательств этих закономерностей и что предположение об изотропности Вселенной в больших масштабах является хорошим ».
По сути, их результаты показали, что существует только 1 шанс из 121 000, что Вселенная анизотропна. Другими словами, свидетельства указывают на то, что Вселенная расширялась во всех направлениях равномерно, что устраняет любые сомнения в том, что они представляют собой какое-либо реальное чувство направления в широком масштабе.
И, в некотором смысле, это немного разочаровывает, поскольку Вселенная, которая не однородна и одинакова во всех направлениях, приведет к набору решений уравнений поля Эйнштейна. Сами по себе эти уравнения не накладывают никаких симметрий на пространство-время, но Стандартная Модель (частью которой они являются) действительно принимает однородность как своего рода данность.
Эти решения известны как модели Бьянки, которые были предложены итальянским математиком Луиджи Бьянки в конце 19-го века. Эти алгебраические теории, которые могут быть применены к трехмерному пространству-времени, получаются менее строгими и, таким образом, учитывают анизотропную Вселенную.
С другой стороны, исследование, проведенное Saadeh, Feeney и их коллегами, показало, что одно из главных предположений, на которых основываются наши современные космологические модели, действительно верно. При этом они также обеспечили столь необходимое ощущение приближения к долгосрочным дебатам.
«В течение последних десяти лет велись серьезные дискуссии о том, есть ли признаки CMS в масштабной анизотропии, - сказал Сааде. «Если бы Вселенная была анизотропной, нам бы пришлось пересмотреть многие наши расчеты относительно ее истории и содержания. Высококачественные данные Planck предоставили прекрасную возможность выполнить эту проверку здоровья на стандартной модели космологии, и хорошая новость заключается в том, что она безопасна ».
Поэтому в следующий раз, когда вы обнаружите, что смотрите на ночное небо, помните ... это роскошь, которую вы имеете, только когда стоите на Земле. Там, в целом, еще одна игра в мяч! Так что наслаждайтесь тем, что мы называем «направление», когда и где вы можете.
И обязательно ознакомьтесь с этой анимацией, созданной командой UCL, которая иллюстрирует данные CMB миссии Planck:
