Когда ученые говорят о форме Вселенной, обычно речь идет о ее геометрии. Современные космологические модели предполагают, что пространство может быть плоским, положительно искривленным, подобно сфере, или отрицательно искривленным, напоминающим седло. Однако геометрия — лишь часть картины. Не менее важную роль играет топология, то есть глобальное устройство пространства. Именно она определяет, является ли Вселенная бесконечной или конечной, причем в некоторых моделях пространство может быть конечным, но при этом не иметь привычных границ.
Проверить это напрямую невозможно. Астрономы способны наблюдать лишь ограниченную область космоса — так называемую наблюдаемую Вселенную, диаметр которой сегодня оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет. Все, что находится дальше, остается недоступным для наблюдений, поэтому о глобальной структуре космоса приходится судить лишь по косвенным признакам.
Именно этой задаче посвящен новый обзор международной научной коллаборации COMPACT, опубликованный в журнале Nature Astronomy. Авторы проанализировали десятилетия исследований космической топологии — направления космологии, изучающего общую форму пространства. Если Вселенная обладает сложной, или нетривиальной, топологией, свет от удаленных объектов способен распространяться разными маршрутами и приходить к наблюдателю с различных направлений. В таком случае теоретически возможно увидеть повторяющиеся изображения одних и тех же областей ранней Вселенной.
Одним из главных инструментов поиска подобных эффектов остается реликтовое излучение — древнейшее электромагнитное излучение, сохранившееся со времен, когда Вселенной было около 380 тысяч лет. Оно равномерно заполняет все небо и считается своеобразным «снимком» молодого космоса. Если пространство действительно имеет необычную форму, эта структура должна оставить в реликтовом излучении характерные следы.
Самым известным методом считается поиск совпадающих кругов на карте реликтового излучения. Согласно этой гипотезе, если пространство замкнуто определенным образом, одна и та же область ранней Вселенной может наблюдаться сразу в нескольких направлениях, оставляя идентичные рисунки температурных колебаний. Подобные сигналы неоднократно искали в данных космических аппаратов WMAP и Planck, однако убедительных подтверждений обнаружить не удалось.
Тем не менее исследователи подчеркивают, что это не означает окончательного опровержения идеи. Большинство предыдущих работ рассматривало лишь ограниченный набор моделей, тогда как возможных вариантов глобального устройства пространства значительно больше. Кроме того, современные математические методы позволяют искать куда более тонкие статистические признаки, например необычные корреляции между удаленными областями реликтового излучения, которые могли остаться незамеченными при использовании классических подходов.
Особые надежды ученые возлагают на будущие наблюдения поляризации реликтового излучения. Предстоящая космическая миссия LiteBIRD должна измерить этот сигнал с рекордной точностью. Если топологические эффекты действительно существуют, новые данные могут впервые позволить их обнаружить. Дополнительную информацию должны дать и масштабные обзоры распределения галактик, которые помогут исследовать структуру Вселенной уже в трехмерном пространстве.
На сегодняшний день ни одна из моделей нетривиальной топологии не получила экспериментального подтверждения. Однако вопрос о глобальной форме Вселенной остается открытым. Если будущие миссии обнаружат признаки сложной структуры пространства, это станет одним из самых значимых открытий современной космологии и позволит впервые понять не только геометрию, но и истинную форму всей Вселенной.
