Гигантские кольца и угроза космологии
Недавнее объявление о наблюдении гигантской кольцевой структуры в отдаленной части Вселенной широко освещалось как ставящее под сомнение некоторые фундаментальные предположения космологии. Но профессор Доминик Шварц утверждает, что такие интерпретации зависят от неправильного понимания космологического принципа.
На недавнем заседании Американского астрономического общества было сделано объявление об открытии гигантского кольца диаметром 1,3 миллиарда световых лет (Большое Кольцо). Это следует за тенденцией подобных заявлений последних лет об открытии все более и более крупных структур, наблюдаемых во Вселенной. Первый трудный вопрос, который нужно задать, это, конечно, являются ли эти структуры реальными или это просто случайные закономерности, как, например, созвездие Большой Медведицы. Наш мозг имеет тенденцию обманывать нас, и нам нравится видеть закономерности в любом случайном наборе точек.
Если мы сможем каким-то образом убедить себя в их реальности, второй вопрос, который следует задать, заключается в том, сформированы ли они гравитационно и связаны, или же они сформированы каким-то другим динамическим процессом. Особенно сложно ответить на второй вопрос, и он обычно требует информации на разных длинах волн. Конечно, по обоим этим вопросам будут споры, но давайте предположим, что на оба вопроса есть ответы и что заявление верно. Третий и более глубокий вопрос, который следует задать: что бы это значило, если бы эти структуры были реальными и были бы объединены гравитацией?
Космологический принцип — это предположение, что пространство максимально симметрично. Другими словами, в какую бы сторону и откуда бы вы ни посмотрели, Вселенная будет выглядеть примерно одинаково.
После недавнего объявления о гигантской кольцевой структуре, как и в предыдущих подобных случаях, утверждалось, что эти структуры настолько велики, что бросают вызов космологическим принципам. Если бы это утверждение было правдой, это было бы замечательно, поскольку космологический принцип лежит в основе нашего современного понимания структуры Вселенной. Космологический принцип – это утверждение о пространственной симметрии Вселенной.
Однако подобные заявления проистекают из непонимания самого космологического принципа. Я утверждаю, что даже самая крупная известная структура сама по себе не может бросить вызов космологическому принципу, поскольку правильно понятая она представляет собой утверждение о статистическом распределении материи и света во Вселенной, а не утверждение о конкретном размере чего-либо.
Космологический принцип является удобной отправной точкой в моделировании Вселенной, поскольку он позволяет нам восполнить недостаток знаний о том, что произошло вскоре после возникновения Вселенной. Короче говоря, космологический принцип — это предположение, что пространство максимально симметрично. Другими словами, в какую бы сторону и откуда бы вы ни посмотрели, Вселенная будет выглядеть примерно одинаково.
Это предположение было первоначально использовано Эйнштейном в его самой первой попытке найти космологическое решение в контексте его новой теории общей относительности. Предположение о максимальной симметрии не возникает на ровном месте, это свойство также справедливо для пространства в ньютоновской физике, где евклидова геометрия используется для описания ранее существовавшего абсолютного пространства. Это абсолютное пространство не имеет какого-либо предпочтительного направления и не имеет какого-либо предпочтительного места, таким образом демонстрируя шесть возможных операций симметрии, состоящих из всех перемещений (перемещение объекта) и всех вращений (поворот объекта), которые вы можете себе представить. В каком-то смысле Эйнштейн просто предположил то, что было стандартным предположением о пространстве того времени.
Примерно через десять лет после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию общей теории относительности, и благодаря работам Леметра, Хаббла и других, стало ясно, что пространство расширяется и что от статической картины пространства следует отказаться, но предположение о максимальной пространственной симметрии было сохранено. Вскоре после окончания второй мировой войны Лифшиц и другие начали изучать вопрос гравитационной стабильности и формирования гравитационно связанных структур (структур, которые удерживаются вместе силой притяжения), и стало ясно, что структуры могут образовываться в результате гравитационного коллапса небольших флуктуаций плотности вещества.
Однако эта модель не могла ответить, почему существуют лишь крошечные зародышевые флуктуации, разделяющие в остальном высокосимметричную Вселенную, и как они могли возникнуть.
В 1980-х годах было тогда осознано, что если Вселенная начиналась в состоянии еще более высокой (приблизительной) симметрии, то это так называемое квази-пространство де Ситтера, в котором не только пространство максимально симметрично, но и на самом деле пространство-время близко к тому, чтобы быть максимально симметричным.
Более того, предположения о эпохе так называемой космологической инфляции, коротком эпизоде чрезвычайно быстрого и ускоренного расширения пространства, стерли бы всю информацию из любого ранее существовавшего состояния, но в то же время породили бы, посредством неизбежных квантовых флуктуаций, крошечную рябь в ткани пространства, времени и материи, распределение которой значительно позже будет расти из-за гравитационной нестабильности, образуя структуры на всех космологических масштабах. Маленькие структуры формируются первыми, а более крупные — позже; этот процесс известен как формирование иерархической структуры.
Теоретически крупномасштабные структуры могли образоваться либо после окончания космологической инфляции, либо до нее. Если бы космологическая инфляция продолжалась относительно короткое время, мы могли бы в принципе проследить некоторые реликты эпохи до инфляции в сверхбольших масштабах. Но об этом позже.
Возвращаясь к космологическому принципу: как мы можем его проверить и о чем он на самом деле говорит? Во многих учебниках по космологии дается формулировка, в которой говорится, что пространство изотропно (симметрично относительно вращения) и однородно (симметрично относительно перемещений) в достаточно больших масштабах, но больше это не уточняется. На мой взгляд, эта формулировка бесполезна и фактически не проверяема.
Космологический принцип следует сформулировать несколько иначе, а именно: статистическое распределение материи и света во Вселенной однородно и изотропно.
Одной из возможностей было бы предположить точную симметрию и заявить о ней во всех масштабах, но это явно неверно. Чтобы этого избежать, часто вводят так называемую шкалу однородности, выше которой должны соблюдаться симметрии космологического принципа. Этот масштаб измеряется путем подсчета количества галактик в сфере увеличивающегося радиуса. Если бы материя была распределена однородно, то число галактик должно было бы увеличиваться пропорционально объёму сферы.
Для небольших сфер это на самом деле не так — это правило применяется только тогда, когда радиус сфер, участвующих в этом тесте, превышает примерно 300 миллионов световых лет (типичное расстояние между двумя галактиками составляет около 3 миллионов световых лет), что затем объявляется шкалой однородности. Эта шкала однородности фактически определяется тестом подсчета сфер и не означает, что не существует более крупных структур. Это просто заявление о том, какой большой объем нам нужно взять, чтобы охватить значительную или репрезентативную часть Вселенной.
Космологический принцип не предсказывает, насколько большим должен быть этот масштаб, и поэтому обнаружение структуры, превышающей этот масштаб однородности, не ставит под сомнение космологический принцип. Другая концепция — это так называемый масштаб Хаббла, который представляет собой расстояние, которое световой сигнал мог пройти с момента зарождения Вселенной до сегодняшнего дня, если предположить, что Вселенная всегда находилась в сегодняшнем состоянии расширения. (Шкала Хаббла — космологическая единица расстояния, равная обратной величине постоянной Хаббла, умноженной на скорость света). Это расстояние составляет около 1,2 миллиарда световых лет в одном направлении, поэтому оно ограничит размеры структур до 2,4 миллиардов световых лет в их наибольшем диаметре. Некоторые коллеги полагают, что это верхний предел для крупномасштабных структур. Недавно найденное кольцо приближается к этому значению, но все же не превосходит его.
Таким образом, Вселенная, в которой мы можем видеть структуры гигантских колец, соответствует космологическому принципу, если вероятность их обнаружения во всех направлениях и из любого места одинакова.
Но я бы сказал, что связывать любую из этих шкал с космологическим принципом по-прежнему неверно. Поскольку очевидно, что мир вокруг нас в малых масштабах полон структур, вместо этого я бы сказал, что нам следует сформулировать космологический принцип несколько иначе, а именно, что статистическое распределение материи и света во Вселенной однородно и изотропно.
Это означает, что вероятность найти галактику с некоторыми заданными свойствами одинакова в любом направлении на небе (за исключением очевидных препятствий, например, мы не можем смотреть через центр Млечного Пути), и что наблюдатель, находящийся в другой галактике, будет имеют ту же вероятность, что и мы, увидеть Вселенную так, как видим мы. Таким образом, Вселенная, в которой мы можем видеть структуры гигантских колец, соответствует космологическому принципу, если вероятность их обнаружения во всех направлениях и из любого места одинакова.
Однако такие гигантские структуры ставят под сомнение преобладающую модель длительной инфляционной эпохи (в которой все ранее существовавшие структуры растягиваются до размеров, превышающих размеры наблюдаемой Вселенной), за которой следует картина формирования иерархических структур, как описанные выше структуры, размер которых значительно превышает миллиард световых лет, действительно будет очень сложно создать. Таким образом, новые открытия могут бросить вызов нашему пониманию формирования структур, но я не вижу, чтобы они бросали вызов правильно сформулированному космологическому принципу.
Чтобы узнать о Вселенной, мы должны измерять и наблюдать, пытаться моделировать то, что мы видим, и если нам это не удастся, нам придется проверять наблюдения и модель до тех пор, пока они не войдут в согласие друг с другом. Новое наблюдение этого гигантского кольца может стать началом еще одного из этих циклов.
Автор: Доминик Шварц, профессор теоретической физики Университета Билефельд, Германия (Universität Bielefeld).