Visatos forma yra klausimas, apie kurį retai susimąstome. Tačiau mano kolegos ir aš neseniai paskelbėme tyrimą, kuriame siūloma, jog Visata gali būti asimetriška, „kreiva“ ar net savotiškai vienpusiška – kitaip tariant, nebūtinai vienoda visomis kryptimis.
Ar tai iš tiesų svarbu? Šiandieninis „standartinis kosmologinis modelis“, apibūdinantis visos Visatos struktūrą ir raidą, remiasi dviem esminėmis prielaidomis: kad Visata yra izotropinė (atrodo vienoda visomis kryptimis) ir homogeniška (pakankamai dideliu masteliu vidutiniškai vienoda visur).
Tačiau keli vadinamieji „įtempiai“ – tarpusavyje nesutampantys įvairių matavimų rezultatai – meta rimtą iššūkį šiai tolygios, vienalytės Visatos sampratai.
Kosminio dipolio anomalija
Mes neseniai paskelbėme mokslinį darbą, kuriame nagrinėjame vieną reikšmingiausių šių neatitikčių – vadinamąją kosminio dipolio anomaliją. Darome išvadą, kad kosminio dipolio anomalija kelia labai rimtą grėsmę plačiausiai priimtam Visatos aprašymui – standartiniam kosmologiniam modeliui, dar vadinamam Lambda-CDM modeliu.
Kuo ši anomalija tokia svarbi ir kodėl ji taip komplikuoja bandymus tiksliai aprašyti Visatą?
Kosminis mikrobangų fonas ir simetriška Visata
Pradėkime nuo kosminio mikrobangų fono (CMB) – tai yra reliktinė spinduliuotė, likusi po Didžiojo sprogimo. Kosminis mikrobangų fonas dangaus skliaute yra nepaprastai tolygus – jo temperatūros netolygumai tesiekia vieną dalį iš šimto tūkstančių.
Dėl šio stulbinamo tolygumo kosmologai jaučiasi pagrįstai užtikrinti, taikydami „maksimaliai simetrišką“ erdvėlaikio aprašymą pagal Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Šis simetriškos Visatos vaizdas, kuriame ji atrodo vienoda visur ir visomis kryptimis, vadinamas FLRW aprašymu.
FLRW modelis labai supaprastina Einšteino lygčių sprendimą ir sudaro pagrindą Lambda-CDM modeliui.
Hablo įtempis ir kitos problemos
Vis dėlto egzistuoja keletas svarbių anomalijų. Plačiausiai aptariama – vadinamasis Hablo įtempis. Jo pavadinimas siejamas su Edwinu Hubble’u, kuris 1929 metais parodė, kad Visata plečiasi.
Šis įtempis išryškėjo analizuojant įvairius duomenų rinkinius nuo 2000-ųjų, daugiausia iš Hablo kosminio teleskopo bei vėlesnių Gaia palydovo stebėjimų. Tai – kosmologinis nesutarimas: Visatos plėtimosi spartos matavimai iš ankstyvosios Visatos epochos nesutampa su matavimais, atliktais arčiau mūsų, vėlesniais laikais.
Kosminio dipolio anomalija iki šiol sulaukė mažiau dėmesio nei Hablo įtempis, tačiau ji yra dar gilesnė ir fundamentaltesnė problema mūsų Visatos supratimui.
Kas yra dipolio anisotropija?
Nors kosminis mikrobangų fonas dideliais mastais yra labai vienodas, jame vis dėlto aptikti tam tikri nuokrypiai. Vienas svarbiausių – CMB dipolio anisotropija. Tai didžiausias temperatūros skirtumas kosminiame mikrobangų fone: viena dangaus pusė yra šiek tiek karštesnė, o priešinga – vėsesnė maždaug viena dalimi iš tūkstančio.
Ši CMB temperatūros dipolio anisotropija pati savaime Lambda-CDM modeliui neprieštarauja. Tačiau jeigu modelis teisingas, tada panašūs kryptiniai skirtumai turėtų būti pastebimi ir kitų, labai nutolusių dangaus objektų pasiskirstyme.
Ellio–Baldwino testas
1984 metais George’as Ellisas ir Johnas Baldwinas suformulavo klausimą: ar panaši dipolio anisotropija egzistuoja stebint labai tolimus astronominius objektus, tokius kaip radijo galaktikos ir kvazarai? Šie šaltiniai privalo būti tikrai tolimi – kitaip netolygus artimesnių objektų telkimasis sudarytų klaidinantį „sankaupų dipolį“.
Jeigu „simetriškos Visatos“ (FLRW) prielaida teisinga, tuomet dangaus šaltinių pasiskirstymo dipolis turi būti tiesiogiai susijęs su CMB dipoliu ir jo dydžiu. Ši patikra vadinama Ellio–Baldwino testu.
Jeigu CMB ir medžiagos pasiskirstymo dipoliai sutaptų, tai būtų svarbus standartinio Lambda-CDM modelio patvirtinimas. Tačiau bet koks aiškus jų nesutapimas tiesiogiai mestų iššūkį ne tik Lambda-CDM modeliui, bet ir pačiam FLRW Visatos aprašymui. Kadangi tai labai tikslus testas, reikalingi duomenų katalogai atsirado tik visai neseniai.
Rezultatas stulbinantis: Visata šio bandymo neišlaiko. Medžiagos pasiskirstymo dipolis neatitinka CMB dipolio stiprumo.
Galimi stebėjimo ir matavimų klaidų šaltiniai radijo teleskopuose, kosminiuose palydovuose ar skirtinguose bangos ilgiuose yra gana skirtingi. Todėl itin reikšminga tai, kad tas pats rezultatas gaunamas ir naudojantis antžeminiais radijo teleskopais, ir vidutinio infraraudonojo diapazono stebėjimais iš kosmoso. Tai leidžia manyti, kad efektas yra realus, o ne matavimo artefaktas.
Iššūkis standartinei kosmologijai
Taip vadinamoji kosminio dipolio anomalija įsitvirtino kaip rimta ir, ko gero, viena iš didžiausių šiuolaikinės kosmologijos problemų, nors astronomų bendruomenė dažnai linkusi šią temą apeiti.
Viena priežasčių – nėra paprasto „pataisymo“. Norint suderinti duomenis, gali tekti atsisakyti ne tik Lambda-CDM modelio, bet ir paties FLRW erdvėlaikio aprašymo, iš esmės grįžtant į kosmologijos teorinių pamatų kūrimo pradžią.
Kas laukia toliau?
Artimiausiais metais tikimasi tikro duomenų antplūdžio iš naujų palydovų, tokių kaip „Euclid“ ir SPHEREx, bei galingų teleskopų – Vera Rubino observatorijos ir „Square Kilometre Array“. Įmanoma, kad šie nauji stebėjimai suteiks užuominų, kaip suformuluoti naują Visatos modelį, pasitelkiant ir sparčiai tobulėjančius mašininio mokymosi metodus – dirbtinio intelekto srities šaką.
Tokios permainos turėtų milžinišką poveikį fundamentinei fizikai ir mūsų Visatos supratimui – nuo jos formos iki pačių giluminių dėsnių, kuriais ji vadovaujasi.
