Фото: Future/Tobias Roetsch
Недавние наблюдения ряби пространства-времени предполагают, что, наша Вселенная могла иметь совершенно другое происхождение.
Человечество постоянно волновал вопрос о том, как что-то может появиться из ничего, и это, пожалуй, самая большая загадка, связанная с Большим взрывом, пишет Space.com.
Наиболее распространенная теория возникновения Вселенной утверждает, что она началась как бесконечно малая, бесконечно плотная точка, которая расширилась и остыла, превратившись в современный космос. Но что стало причиной этого события 14 миллиардов лет назад? Даже сам вопрос крайне неоднозначен.
Если взять во внимание распространенное мнение о том, что Большой взрыв создал время, то говорить о предшествующих причинах невозможно, поскольку это понятие имеет смысл только в том случае, если время уже существовало. Английский физик и математик Роджер Пенроуз, считает, что у него есть способ навсегда решить эти вопросы. Более того, астрономы могли бы найти доказательства, подтверждающие его правоту.
В его теории, конформной циклической космологии (англ. conformal cyclic cosmology или CCC), говорится, что взрывное рождение нашей Вселенной произошло в последние годы жизни другой. Иными словами, теория утверждает, что до Большого взрыва время уже существовало.
Зарождение Вселенной
По словам Пенроуз, во время Большого взрыва ранняя Вселенная, была, в некотором роде, очень похожа на состояние, к которому она будет двигаться в далеком будущем.
В обоих случаях масса вносит значительно меньший вклад в общую энергию Вселенной, чем сегодня. Чтобы вычислить кинетическую энергию или энергию движения, нужно разделить массу на половину и умножить ее на квадрат скорости. В первые мгновения после Большого взрыва, когда температура в космосе была очень высокой, частицы летали с невероятной скоростью, внеся основной вклад в общую энергию Вселенной, а не в массу частицы.
То же самое можно сказать и о будущем Вселенной. В 1998 году физики обнаружили, что она расширяется со всевозрастающей скоростью, приведя астрономическое сообщество в шок, поскольку они ожидали, что космос замедлится по мере ослабления силы Большого взрыва. Чтобы расширение снова ускорилось, астрономы полагали, что должна существовать некая невидимая сущность, известная как темная энергия.
В конечном счете, вся материя во Вселенной будет настолько разделена, что масса снова станет обыденным фактором в общей энергии космоса, а доминирующую позицию, в свою очередь, заберет свет, а не материя.
Для фотона (безмассовой частицы света) времени и длины не существует. Используя его, вы буквально мгновенно пересечете видимую Вселенную. Именно это понимание стало ключевым достижением Пенроуза. Что касается самой Вселенной, то ее горячее, маленькое начало физически идентично ее холодному, огромному будущему.
«Это далекое будущее станет еще одним Большим взрывом», ̶ говорит Пенроуз.
Так что же произошло до Большого взрыва? Как утверждает Пенроуз, закончилась еще одна Вселенная, которая возникла в результате смерти другой. Каждый период он называет эоном. Эоны уходят все дальше и дальше во времени, без необходимости в начале. В некотором смысле, это возвращение к теории стационарной Вселенной, которая преобладала до того, как в середине 20 века Большой взрыв приобрел значительную популярность.
Кольца в реликтовом излучении
Пенроуз признает, что это дикое предположение, однако считает, что, как и все хорошие научные теории, его можно проверить с помощью экспериментов и наблюдений. Эти испытания основаны на идее, что наш и предшествующий ему эон не были полностью изолированы друг от друга.
«Информация действительно поступает, проходя в виде ударной волны в первоначальной темной материи нашей Вселенной», ̶ заявил Пенроуз.
Карта реликтового излучения с использованием данных за 9 лет. Иллюстрация: NASA, WMAP.
Темная материя, как и темная энергия, является теневым веществом, необходимым для объяснения того, каким именно образом такие структуры, как галактики и скопления галактик, формировались в ранней Вселенной.
Читайте также:Оказалась намного младше. Ученые заново рассчитали возраст Вселенной
Согласно расчетам Пенроуза, эта ударная волна должна была повлиять на реликтовое излучение, оставшееся от Большого взрыва и выпущенное, когда Вселенной было меньше 400 000 лет.
В реликтовом излучении можно увидеть кольца, которые немного теплее или холоднее средней температуры. Уравнения CCC предсказывают, что ударная волна, пришедшая из предыдущего эона, могла втянуть материю в нашу Вселенную. Если бы это заставило материал двигаться к нам, мы бы смогли увидеть свет из этой области, эффект, который астрономы называют синим смещением ̶ явление, при котором электромагнитное излучение уменьшает свою длину волны. Аналогичная ситуация с областью, унесенной от нас ударной волной CCC. Она в свою очередь получает красное смещение, явление, при котором электромагнитное излучение увеличивает длину волны.
Области с синим смещением будут казаться более горячими, а с красным ̶ более холодными. Пенроуз считает, что именно эти изменения, мы увидим в виде колец в реликтовом излучении. Несколько лет назад казалось, что они были найдены.
«Только нам никто не поверил. Все думали, что это случайность или что-то в этом роде», ̶ упомянул Пенроуз.
«Однако эти признаки были подтверждены альтернативными группами», ̶ указал Ваге Гурзадян, физик Ереванского физического института в Армении и давний сотрудник Пенроуза по ССС.
Группа польских и канадских исследователей подтвердила наличие колец с достоверностью 99,7%. Но среди ученых все еще есть много сомневающихся.
«Эти структуры реальны. Нет никаких сомнений в том, что наши расчеты ненадежные или неправильные», ̶ подчеркнул Гурзадян .
Тем не менее, Пенроуз продолжает изучать и другие подходы, которые смогут дополнительно поддержать конкретно это утверждение и утверждение о времени до Большого взрыва.
Переход между эонами сделал бы нечто более фундаментальное, что просто создало бы ударную волну в нашей темной материи и кольца в реликтовом излучении. По словам Пенроуз, новый доминирующий материал во Вселенной, создается на пересечении. Он рассматривает этот новый материал как первоначальную форму самой темной материи. Но для того, чтобы она не накапливалась от эона к эону, она должна распадаться.
Он называет эти начальные частицы темной материи эребонами (в честь Эреба, греческого бога тьмы). Чтобы распасться, эребонам в среднем потребовалось бы 100 миллиардов лет, но среди них есть и такие, которые распадутся за 14-миллиардную историю нашей Вселенной. Важно отметить, что эребоны вкладывают всю свою энергию в гравитационные волны.
Открытие гравитационных волн
Гравитационные волны ̶ это искажения в структуре пространства-времени, предсказанные Эйнштейном более века назад в рамках его общей теории относительности. На протяжении большей части прошлого столетия никто не знал, существуют ли они вообще.
Однако 14 сентября 2015 года все изменилось. Физики с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) объявили об обнаружении гравитационных волн, приходящих на Землю, от двух черных дыр, которые столкнулись друг с другом со скоростью равной почти что половине скорости света.
Иллюстрация: ESA
За этим последовало несколько других обнаружений, в том числе новые слияния черных дыр, а также столкновение двух нейтронных звезд ̶ коллапсировавших ядер массивных звезд (которые все еще слишком малые, чтобы образовывать черные дыры), ставших сверхновыми.
Летом 2017 года астрономическое сообщество гудело от слухов о том, что эти обнаружения, возможно, не были тем, чем они казались в начале. Команда из Института Нильса Бора в Копенгагене опубликовала статью, в которой предположила, что это были не гравитационные волны, а ложные сигналы данных.
К тому времени, когда гравитационная волна добирается до Земли, ее сигнал становится очень слабым, поэтому физикам трудно ее вычислить на фоне шума земных событий, которые также могут покачивать чувствительные зеркала LIGO.
Если один и тот же сигнал улавливается обоими детекторами, это является серьезным признаком того, что он пришел из космоса. Шум, однако, не следует коррелировать таким же образом. Грузовик, проезжающий мимо в штате Вашингтон, не должен влиять на работу детектора, находящегося на расстоянии более 3000 км от Луизианы.
Команда из Копенгагена провела собственный независимый анализ данных LIGO и обнаружила, что шум действительно был коррелирован. Вполне возможно, что физики попали в заблуждение из-за того, что с детекторами были какие-то поломки или неточности, которые генерировали сигналы гравитационных волн там, где их не было.
Несмотря на все это, копенгагенская статья получила упреки со стороны физика Яна Харри, ученого из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии и члена команды LIGO. Он утверждал, что копенгагенская команда выполнила свой анализ неправильно, и никакого коррелированного шума не было.
Франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo. Фото: The Virgo Collaboration
Может ли это быть свидетельством распада эребона?
Когда Роджер Пенроуз услышал об этих дебатах, он больше задумался о том, что именно может вызывать этот коррелированный шум. Может, они наблюдают за тем, как эребон распадается? Вскоре он опубликовал собственную статью, в которой изложил более подробную информацию о своем заявлении.
Прибытие гравитационных волн от распада эребона будет коррелировано между двумя детекторами, но так как они не имеют ничего общего с черными дырами или нейтронными звездами, их можно было бы принять за шум. И, действительно, Пенроуз утверждает, что копенгагенская команда обнаружила не коррелированный земной фоновый шум, а коррелированный шум от фонового распада эребона. Но насколько эта информация достоверна?
«Это довольно интересная идея, наводящая на размышления. Она объединяет множество умных нитей в действительно хорошее видение того, как Вселенная могла бы вести себя в чрезвычайно длительных временных масштабах. Это прекрасная теория, и она заслуживает большого внимания», ̶ сказал Эндрю Понтцен, космолог из университетского колледжа Лондона.
Однако Понтцен указал, что первоначальный анализ данных о кольцах реликтового излучения (первый предложенный Пенроузом тест CCC) был весьма ошибочным и привел к выводам, которые не могли быть подтверждены. Точно так же он поддерживает выводы коллаборации LIGO, которая обнаружила, что коррелированный шум между ее детекторами не является реальным и поэтому не может быть вызван распадом эребона.
«Анализ данных чрезвычайно тонкий процесс. Везде есть подводные камни, с которыми очень легко столкнуться», ̶ добавил Понтцен.
Это не означает, что CCC ошибается, но, похоже, что убедительные доказательства ее правдивости еще не найдены ни в реликтовом излучении, ни в детекторах гравитационных волн LIGO.
Даже если коррелированный шум, о котором твердит копенгагенская команда, вымышлен, будущие детекторы гравитационных волн могут уловить коррелированный шум от распада эребона.
«Я надеюсь, что эти эффекты можно будет увидеть из далеких галактик. Если это так, то у нас появится замечательный способ определить распределение темной материи во Вселенной, а также позволит говорить о времени до Большого взрыва», ̶ подытожил Пенроуз.