Hvordan ved vi, at universet er fladt? Opdagelse af universets topologi

Hver gang vi taler om det ekspanderende univers, alle vil vide, hvordan det her ender. Jo da, de siger, det faktum, at de fleste af de galakser, vi kan se, skynder sig væk fra os i alle retninger, er virkelig interessant. Jo da, de siger, Big Bang giver mening, i, at alt var tættere sammen for milliarder af år siden.

Men hvordan ender det? varer det her for evigt? Bliver galakser til sidst langsommere, komme til et stop, og derefter skynde sig sammen igen i en Big Crunch? Får vi en non-stop cyklus af Big Bangs, for evigt og altid?

Vi har lavet en masse artikler om mange forskellige aspekter af dette spørgsmål, og den nuværende konklusion astronomer er nået frem til er, at fordi universet er fladt, det kommer aldrig til at kollapse i sig selv og starte endnu et Big Bang.

Men vent, hvad vil det sige at sige, at universet er "fladt"? Hvorfor er det vigtigt, og hvordan ved vi det overhovedet?

Før vi kan begynde at tale om universets fladhed, vi skal tale om fladhed generelt. Hvad vil det sige at sige, at noget er fladt?

Hvis du er i et firkantet rum og går rundt om hjørnerne, du vender tilbage til dit udgangspunkt efter at have lavet fire 90-graders drejninger. Du kan sige, at dit værelse er fladt. Dette er euklidisk geometri.

ut hvis du foretager den samme rejse på Jordens overflade. Start ved ækvator, lav en 90 graders drejning, gå op til Nordpolen, lav endnu en 90 graders drejning, tilbage til ækvator, endnu en 90-graders vending og vend tilbage til dit udgangspunkt.

I én situation, du lavede fire drejninger for at vende tilbage til dit udgangspunkt, i en anden situation tog det kun 3. Det er fordi topologien af ​​den overflade, du gik på, bestemte, hvad der sker, når du tager en 90-graders vending.

Du kan forestille dig et endnu mere ekstremt eksempel, hvor du går rundt inde i et krater, og det tager mere end fire omgange at vende tilbage til dit udgangspunkt.

En anden analogi, selvfølgelig, er ideen om parallelle linjer. Hvis du affyrer to parallelle linjer ved nordpolen, de bevæger sig væk fra hinanden, følge Jordens topologi og derefter komme sammen igen.

Forstået? Store.

Nu, hvad med selve universet? Du kan forestille dig den samme analogi. Billedbillede flyver ud i rummet på en raket i milliarder af lysår, udfører 90-graders manøvrer og vender tilbage til dit udgangspunkt.

Du kan ikke gøre det på tre, eller fem, du skal bruge fire, hvilket betyder, at universets topologi er flad. Hvilket er fuldstændig intuitivt, ret? Jeg mener, det ville være din antagelse.

Men astronomer var skeptiske og havde brug for at vide med sikkerhed, også, de satte sig for at teste denne antagelse.

For at bevise universets fladhed, du skulle rejse langt. Og astronomer bruger den størst mulige observation, de kan foretage. Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, eftergløden fra Big Bang, synlig i alle retninger som en rødforskudt, Faldende øjeblik, hvor universet blev gennemsigtigt omkring 380, 000 år efter Big Bang.

Da denne stråling blev frigivet, hele universet var cirka 2, 700 C. Dette var det øjeblik, hvor det var køligt nok til, at fotoner endelig kunne strejfe frit gennem universet. Udvidelsen af ​​universet strakte disse fotoner ud over deres 13,8 milliarder år lange rejse, flytte dem ned i mikrobølgespektret, kun 2,7 grader over det absolutte nulpunkt.

Med de mest følsomme rumbaserede teleskoper, de har til rådighed, astronomer er i stand til at opdage små variationer i temperaturen af ​​denne baggrundsstråling.

Og her er den del, der blæser mig, hver gang jeg tænker på det. Disse små temperaturvariationer svarer til de største skalastrukturer i det observerbare univers. Et område, der var en brøkdel af en grad varmere, blev til en stor galaksehob, hundreder af millioner lysår på tværs.

Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling giver og giver bare, og når det kommer til at finde ud af universets topologi, den har det svar, vi har brug for. Hvis universet var buet på nogen måde, disse temperaturvariationer ville virke forvrænget sammenlignet med den faktiske størrelse, som vi ser disse strukturer i dag.

Men det er de ikke. Efter bedste evne, ESA's Planck rumteleskop, kan slet ikke registrere nogen forvrængning. Universet er fladt.

Godt, det er ikke helt rigtigt. Ifølge de bedste målinger, astronomer nogensinde har været i stand til at foretage, universets krumning falder inden for et område af fejlbjælker, der indikerer, at det er fladt. Fremtidige observationer af et super Planck-teleskop kunne vise en let krumning, men for nu, de bedste mål derude siger ... flad.

Vi siger, at universet er fladt, og det betyder, at parallelle linjer altid vil forblive parallelle. 90-graders drejninger opfører sig som ægte 90-graders drejninger, og alt giver mening.

Men hvad er implikationerne for hele universet? Hvad fortæller dette os?

Desværre, den største ting er, hvad den ikke fortæller os. Vi ved stadig ikke, om universet er endeligt eller uendeligt. Hvis vi kunne måle dens krumning, vi kunne vide, at vi er i et begrænset univers, og få en fornemmelse af, hvad dens faktiske sande størrelse er, ud over det observerbare univers, vi kan måle.

Vi ved, at universets rumfang er mindst 100 gange større, end vi kan observere. I det mindste. Hvis planhedsfejlbjælkerne bliver bragt ned, universets minimumsstørrelse stiger.

Og husk, et uendeligt univers er stadig på bordet.

En anden ting dette gør, er, at det faktisk forårsager et problem for den oprindelige Big Bang-teori, kræver udvikling af en teori som inflation.

Da universet er fladt nu, det må have været fladt tidligere, da universet var en utrolig tæt singularitet. Og for at bevare dette fladhedsniveau over 13,8 milliarder års ekspansion, på en måde fantastisk.

Faktisk, astronomer vurderer, at universet må have været fladt til 1 del inden for 1×10 ⁵⁷ dele.

Hvilket virker som en sindssyg tilfældighed. Inflationsudviklingen, imidlertid, løser dette, ved at udvide universet en ubegribelig mængde øjeblikke efter Big Bang. Før og efter inflation universer kan have vidt forskellige niveauer af krumning.

I gamle dage, kosmologer plejede at sige, at universets fladhed havde konsekvenser for dets fremtid. Hvis universet var buet, hvor du kunne gennemføre en fuld rejse med mindre end fire drejninger, det betød, at det var lukket og bestemt til at falde sammen i sig selv.

Og det var mere end fire omgange, den var åben og bestemt til at udvide sig for evigt.

Godt, det betyder egentlig ikke noget mere. I 1998, astronomerne opdagede mørk energi, som er denne mystiske kraft, der accelererer udvidelsen af ​​universet. Om universet er åbent, lukket eller fladt, det bliver ved med at udvide sig. Faktisk, at ekspansionen vil accelerere, for evigt.

Jeg håber, at dette giver dig lidt mere forståelse af, hvad kosmologer mener, når de siger, at universet er fladt. Og hvordan ved vi, at det er fladt? Meget præcise målinger i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.