Поперечник наблюдаемой Вселенной составляет около 92 млрд световых лет, но по этой цифре нельзя судить о величине всего космоса. Согласно измерениям, доступная нам часть пространства является почти плоской. При этом Вселенная способна тянуться бесконечно, обладать слабой кривизной на масштабах, недоступных наблюдениям, либо замыкаться на себя. О том, что известно о ее форме и почему вопрос о бесконечности пока не имеет ответа, — в материале «Известий».

Где завершается доступная наблюдению Вселенная

Говоря о размерах наблюдаемой Вселенной, астрономы подразумевают ту область, откуда свет успел достичь нас. По данным NASA, ее диаметр равен примерно 92 млрд световых лет. Это согласуется с оценкой возраста Вселенной около 13,8 млрд лет: за время пути света к Земле пространство растягивалось, а дистанция до испустивших его областей возрастала.

Однако рубеж наблюдаемой зоны не напоминает стену или край. Он обозначает предел информации, доступной нам. За этим пределом могут располагаться иные галактики и колоссальные пространства, но их наличие и характеристики невозможно определить, просто продолжая наблюдения.

Первая величина является конечной: ее можно измерить. Для второй у науки пока отсутствует надежная оценка. Как указывает NASA, неясно даже, конечна ли Вселенная как целое.

Как конечное пространство может не иметь края

Интуиция говорит, что любое конечное должно иметь границу. Пример поверхности Земли объясняет, почему это не обязательно. Ее площадь поддается измерению, однако путешественник, идущий по поверхности в одном направлении, не найдет места, где она заканчивается. Если двигаться достаточно долго, удастся вернуться в начальную точку.

Разумеется, земная поверхность двумерна, тогда как окружающее нас пространство трехмерно. Поэтому здесь речь об аналогии, которая помогает вообразить конечное пространство без края, а не о допущении, будто Вселенная в буквальном смысле устроена как поверхность планеты.

Искривление поверхности удается заметить, не покидая ее. К примеру, сумма углов крупного треугольника, построенного на сфере, окажется больше 180 градусов. Маршруты, направленные на север из разных точек экватора, встретятся у полюса. На обычной плоскости геометрия проявляет себя по-другому.

Сходные признаки исследователи пытаются найти и в космических масштабах. При искривлении пространства меняется распространение света и облик далеких объектов. Одним из главных источников сведений для подобных измерений служит реликтовое излучение.

Что древнее свечение сообщило о форме пространства

Реликтовое излучение появилось в молодой Вселенной, после того как вещество остыло настолько, что свет получил возможность свободно распространяться. Сейчас его регистрируют как слабое микроволновое свечение, идущее со всех сторон. На карте этого излучения заметны небольшие перепады температур, передающие неоднородности ранней Вселенной.

В этой картине присутствует своего рода космическая «линейка». Пока свет еще не мог свободно распространяться, в горячем веществе ранней Вселенной возникали колебания. Физические модели дают возможность оценить их типичный размер. После этого ученые сопоставляют расчет с тем, насколько большими соответствующие области кажутся на небе. Кривизна пространства сказалась бы на их видимом угловом размере. Подобный метод позволяет проверить, отвечает ли пространство плоской геометрии.

Наблюдательные данные хорошо согласуются с почти плоским пространством. В частности, совместный разбор сведений космической обсерватории Planck и измерений распределения галактик дал величину параметра кривизны, совместимую с нулем в пределах погрешности. Это весомый довод в пользу того, что доступная наблюдению часть Вселенной очень близка к геометрически плоской. Однако измерение с конечной точностью не способно доказать, что кривизна строго равна нулю повсюду.

Почему плоская Вселенная не обязательно бесконечна

Даже Земля воспринимается плоской, если изучать достаточно малый участок ее поверхности. Кривизна делается заметной только при измерениях на существенно больших дистанциях. Саттер указывает на похожее ограничение космологических наблюдений: доступная нам область может оказаться слишком малой на фоне всей Вселенной, чтобы выявить очень слабую кривизну.

Но существует и более неожиданная возможность. Пространство способно быть плоским с геометрической точки зрения и одновременно замыкаться на себя. Здесь важно разделять геометрию и топологию. Первая описывает, в частности, кривизну пространства. Вторая — то, каким образом его области связаны друг с другом.

Самая простая двумерная аналогия — лист бумаги. Если мысленно склеить его противоположные края, получится поверхность, где движение в одном направлении возвращает к точке начала. При этом небольшие треугольники на ней по-прежнему подчиняются правилам плоской геометрии. В трех измерениях математическое описание подобных пространств сложнее, но общий принцип сохраняется: отсутствие кривизны само по себе не дает ответа на вопрос, обладает ли пространство конечным объемом.

Один из вариантов подобного устройства — трехмерный тор. Его удобнее воображать не как обычный бублик, а как пространство, где противоположные грани мысленного куба соединены друг с другом. Проходя через одну сторону, наблюдатель в такой модели возвращался бы с противоположной. Это математическая возможность, а не доказанная форма нашей Вселенной.

Пытались ли астрономы найти признаки «замкнутой» Вселенной

Если свет способен пройти по пространству разными маршрутами и вернуться в уже наблюдаемую зону, один и тот же космический объект теоретически может возникнуть в разных участках неба. Еще один возможный признак — одинаковые узоры на карте реликтового излучения. Для ряда моделей замкнутого пространства ученые ищут пары окружностей со сходными температурными рисунками.

Надежного подтверждения подобных повторов пока нет. Разбор данных Planck не обнаружил признаков замкнутой топологии в изученных моделях и на масштабах, к которым чувствителен данный метод. Но отсутствие сигнала не отменяет все возможные варианты устройства пространства: типичный размер замкнутой области может быть больше доступного для наблюдений масштаба, а отдельные формы топологии труднее распознать.

Ученые показали, что прошлые поиски повторяющихся узоров не закрывают многие варианты формы пространства. Более сложные связи между его областями способны порождать сигналы, не похожие на простые одинаковые изображения. Это не доказательство замкнутой Вселенной, а указание на ограничения уже выполненных проверок.

Пока наблюдения дают возможность уверенно судить о свойствах доступной нам части космоса: она огромна и на изученных масштабах близка к геометрически плоской. Отсюда не вытекает однозначный вывод о размерах всего пространства. Оно может простираться далеко за космический горизонт, иметь слишком слабую для современных измерений кривизну или обладать структурой, при которой разные его области связаны между собой.

Новые измерения могут уменьшить круг допустимых моделей и выявить признаки топологии, которые раньше не удавалось заметить. Однако если особенности устройства Вселенной проявляются лишь далеко за границами области, откуда к нам способна поступать информация, прямого ответа может не существовать.