Откуда мы знаем, что Вселенная плоская?

Мы измеряем параметр (пространственной) кривизны равным 0,000 с точностью 2 сигма (т. е. с достоверностью 95%), равной 0,005 или 0,5%, в соответствии с последней и наиболее точной спутниковой миссией для определения космологических параметров.

Обратите внимание, что наши измерения, конечно же, относятся к наблюдаемой Вселенной с горизонтом, удаленным от нас примерно на 48 миллиардов световых лет. Они не могут учитывать возмущения, происходящие при надгоризонтных размерах. Это по-прежнему удивительный научный успех, чтобы иметь возможность получить это точно, даже если только в нашей наблюдаемой Вселенной. Если мы добавим теорию к измерениям, плоскостность возникает из-за гиперинфляции, которая произошла в течение (намного меньше) 1 секунды после начала Вселенной, и это привело бы к тому, что надутая часть Вселенной имела бы нулевую пространственную кривизну или очень близко к этому.

Насколько велика была эта область, мы просто не знаем, за исключением того, что она определенно больше нашего радиуса в 48 миллиардов световых лет. Кроме того, она не раздувалась бы или, возможно, раздувалась бы в одних регионах, а не в других, и образовывала бы многопузырьковую вселенную или так называемую мультивселенную. Мы просто не знаем, и теперь это становится несколько спекулятивным. Мы можем узнать об этом через несколько миллиардов лет, когда расширится наш горизонт, или каким-то другим способом, которого мы сейчас не знаем. Но в настоящее время и, вероятно, в ближайшие несколько миллиардов лет это все, что нас волнует.

Измерение пространственной кривизны осуществляется по параметру пространственной кривизны.$\Lambda_k$, который измеряется как 0,000 плюс-минус ошибка в 2 сигмы. Параметр кривизны, равный нулю, означает, что пространственные срезы Вселенной имеют плоскую геометрию (т. е. нулевую пространственную кривизну). Если значение слегка положительное или отрицательное, пространственные срезы будут слегка искривлены. Нулевые и точные числа взяты из уравнения. (50) в результатах сотрудничества Planck 2015, опубликованных в июне 2016 г. в документе arXiv по адресу https://arxiv.org/pdf/1502.01589.pdf . На рис. 26 показан результат на графике, где красная зона представляет собой небольшую область, которой измерения и анализ ограничивают результаты.

Спутниковая миссия и анализ Planck были миссией третьего поколения по сбору данных CMB (космического микроволнового фона) после COBE и WMAP. Это более точные данные. В анализе они использовали исключительно данные Planck, за исключением того, что они также использовали набор данных измерений BAO (барионные акустические колебания), которые часто используются для устранения хорошо известной геометрической неоднозначности в данных только CMB (пунктирная линия на рис. 26). ), нарушенной БАО (красная зона) и реконструкцией линзы (синяя зона). Красная зона с некоторым перекрытием с синей зоной, пересекающая пунктирную линию, — это место, где вы получаете нулевую пространственную кривизну.

Следующий вопрос: сможем ли мы получить более точные измерения и, таким образом, определить очень маленькую положительную или отрицательную кривизну? Анализ состоит в том, что измерения реликтового излучения могут быть несколько улучшены, но если кривизна меньше примерно 0,0001 (т.е. на 4 порядка отличается от нулевой кривизны), измерения реликтового излучения не смогут ее обнаружить.

Итак, что, если он действительно слегка изогнут, скажем, около 0,001 параметра кривизны? Что ж, тогда пространственные срезы были бы очень слегка искривлены, и если бы кривизна была положительной, Вселенная была бы замкнутой, но из-за действительно малой кривизны она все равно была бы огромной, намного больше, чем 48 миллиардов световых лет в радиусе, и мы не увидит ее вблизи себя (как трехмерную сферу), потому что эта псевдосфера будет настолько большой, что мы не сможем отличить ее от плоского бесконечного пространственного среза в радиусе 48 световых лет. Если бы кривизна была отрицательной и очень малой по величине, мы бы опять не заметили ее, прошли бы очень большие расстояния, прежде чем мы смогли бы увидеть кривизну, Вселенная была бы бесконечной и открытой. Чтобы получить измерения для этих случаев, нам придется измерить другие объекты, о которых мы еще не знаем. Гравитационное излучение открывает еще одно окно во Вселенную, и мы сможем «заглянуть» в прошлое гораздо ближе к Большому взрыву и, возможно, провести другие измерения, которые могли бы помочь нам определить некоторые параметры, по которым мы могли бы лучше экстраполировать, но на данный момент это просто предположение. Физика частиц более высоких энергий также научит нас некоторым новым физикам, применимым к космологии, но все это всегда будет внутри нашего прошлого и будущего светового конуса.

Чтобы ответить на ваш первый вопрос, в литературе обычно предполагается, что плоская Вселенная бесконечна. (что неверно) Существуют конфигурации плоской вселенной, такие как конечный тор. Что касается второго вопроса, Ω измеряется как 1,00 ± 0,02, где 1,00 соответствует плоской Вселенной. Итак, может быть небольшое искривление от плоской Вселенной, но это будет подтверждено только более точными измерениями.