В мире без направлений

Группа ученых использовала данные о реликтовом излучении, чтобы подтвердить изотропию Вселенной – отсутствие в ней каких-либо выделенных направлений. Какое бы мы ни избрали направление, физические свойства нашего мира будут одинаковы. Исследователи пришли к выводу, что есть лишь один шанс из 121 тысячи, что существует какая-либо разница в зависимости от выбранного направления. Такой результат они сочли лучшим доказательством изотропии.

Благодаря Копернику человечество поняло, что Земля вовсе не находится в центре мира, а вращается вокруг Солнца. Достаточно быстро стало понятным, что и Солнце вовсе не занимает какую-то выделенную позицию во Вселенной, а представляет собой лишь одну из множества звезд. В начале XX века, с появлением общей теории относительности Альберта Эйнштейна и открытия, что Вселенная расширяется во всех направлениях, был сформулирован космологический принцип, который предполагает, что Вселенная везде одинакова и не зависит от выбранного направления – то есть однородна и изотропна.

Космологический принцип имеет свои ограничения. Например, существование звезд и галактик наглядно показывает, материя не распределяется однородно. Объяснение этому дает инфляционная модель возникновения Вселенной. После Большого взрыва она представляла собой однородную массу субатомных частиц в пространстве, а поскольку вскоре после возникновения Вселенная претерпела экспоненциальный всплеск роста (его и называют инфляцией), крошечные квантовые флуктуации в субатомных частицах расширились до гигантских размеров, обеспечивая вариации плотности, из которых выросли галактики. Тем не менее, стандартная модель космологии основывается на предположении, что в больших масштабах, превышающих размеры скоплений галактик, пространство однородно и изотропно.

Теоретически возможно, что Вселенная будет однородной (одинаковой во всех точках), но не изотропной. Аналогом такой ситуации может служить кристалл алмаза, имеющий везде одинаковую плотность, в котором есть оси, вдоль которых выстраиваются в ряды атомы углерода. А вот неоднородной, но при этом изотропной Вселенная, конечно, быть не может. Ученые давно пытаются найти признаки возможной анизотропии Вселенной. В 2006 году результаты, полученные космическим аппаратом Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), позволили предположить, что флуктуации реликтового излучения распределены не случайным образом, а относительно упорядоченно. В результате можно было определить некоторый аналог оси симметрии кристалла во вселенских масштабах. Эту гипотетическую область Вселенной космолог Жуан Магейжу (João Magueijo) предложил назвать «осью зла». Но в 2012 году ученые проекта WMAP пришли к выводу, что наиболее вероятно полученная картина вызвана статистически случайными отклонениями реликтового излучения.

В нынешнем исследовании космологи из Университетского колледжа Лондона Даниэла Саадех (Daniela Saadeh) и Эндрю Понтцен (Andrew Pontzen) и их коллеги использовали измерения реликтового излучения, сделанные в 2009 – 2013 годах космическим аппаратом Planck Европейского космического агентства. Они более точны, чем данные WMAP. А вместо того, чтобы искать в этих данных случаи дисбаланса реликтового излучения, ученые поступили наоборот. Они рассмотрели все возможные варианты наличия выделенного направления в пространстве, определили, как они должны отражаться в структуре реликтового излучения, а уже потом искали соответствующие признаки в данных, которые собрал Planck.

Например, пространство может расширяться с различной скоростью вдоль различных осей. Такое неравномерное расширение привело бы к тому, что реликтовое излучение в некоторых направлениях имело бы большую длину волны, и это отразилось бы на наблюдаемом распределении реликтового излучения. В другом гипотетическом случае пространство может вращаться вокруг определенной оси. Тогда в картине реликтового излучения, зафиксированной аппаратом Planck, наблюдался бы спиральный узор. Наконец, новорожденная Вселенная могла испытать искажения в пространстве, известные как гравитационные волны, которые растянули бы весь космос в одном направлении и сжали его в перпендикулярном направлении. Но изменения такого рода тоже оставили бы в картине реликтового излучение определенный спиральный узор. Всего ученым удалось предположить пять возможных моделей анизотропии, которые должны были дать каждая свой эффект в реликтовом излучении.

Затем, используя суперкомпьютер, ученые стали искать признаки таких эффектов в колебаниях температуры реликтового излучения. Одновременно они искали также закономерности в поляризации волн реликтового излучения, которые тоже могли бы помочь выявить анизотропию. Их анализ был на порядок точнее всех предыдущих аналогичных исследований, но к обнаружению существенных признаков анизотропии он так и не привел. «Мы впервые действительно исключили анизотропию, - говорит Даниэла Саадех, - ранее можно было сказать, что это было лишь не исследовано».

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.