Наблюдаемая Вселенная простирается примерно на 92 млрд световых лет в поперечнике, однако это не позволяет определить размеры всего космоса. Измерения показывают, что доступная нам область пространства почти плоская. При этом Вселенная может продолжаться бесконечно, иметь слабую кривизну на недоступных наблюдению масштабах или замыкаться сама на себя. Что известно о ее форме и почему ответ на вопрос о бесконечности остается открытым — в материале «Известий».

Когда астрономы говорят о размерах наблюдаемой Вселенной, они имеют в виду область, из которой свет успел дойти до нас. По оценке NASA, ее диаметр составляет около 92 млрд световых лет. Это не противоречит тому, что возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 млрд лет: пока свет летел к Земле, пространство расширялось, и расстояние до областей, испустивших его, увеличивалось.

Но граница наблюдаемой области не похожа на стену или край. Она означает предел доступной нам информации. За ним могут находиться другие галактики и огромные пространства, однако их существование и свойства нельзя установить простым продолжением наблюдений.

Первая величина конечна: ее можно оценить. Для второй у науки пока нет надежной оценки. Как отмечает NASA, неизвестно даже, конечна ли Вселенная в целом.

Интуиция подсказывает, что у всего конечного должна быть граница. Поверхность Земли показывает, почему это не обязательно так. Ее площадь можно измерить, но путешественник, который движется по поверхности в одном направлении, не обнаружит места, где она обрывается. Если продолжать путь достаточно долго, можно вернуться к исходной точке.

Конечно, земная поверхность двумерна, а окружающее нас пространство имеет три измерения. Поэтому речь идет об аналогии, позволяющей представить конечное пространство без края, а не о предположении, что Вселенная устроена буквально как поверхность планеты.

Кривизну поверхности можно обнаружить, оставаясь на ней. Например, сумма углов большого треугольника, построенного на сфере, будет больше 180 градусов. Пути, направленные на север от разных точек экватора, сойдутся у полюса. На обычной плоскости геометрия ведет себя иначе.

Ученые ищут подобные признаки и в масштабах космоса. Если пространство искривлено, это влияет на то, как распространяется свет и какими видятся удаленные объекты. Один из важнейших источников информации для таких измерений — реликтовое излучение.

Реликтовое излучение возникло в ранней Вселенной, когда вещество достаточно остыло и свет смог свободно распространяться. Сегодня его наблюдают как слабое микроволновое свечение, приходящее со всех направлений. На его карте видны небольшие различия температур, отражающие неоднородности молодой Вселенной.

В этой картине есть своего рода космическая «линейка». До того как свет начал свободно распространяться, в горячем веществе ранней Вселенной возникали колебания. Физические модели позволяют оценить их характерный размер. Затем исследователи сравнивают расчет с тем, насколько крупными соответствующие участки выглядят на небе. Кривизна пространства повлияла бы на их видимый угловой размер. Такой метод помогает проверить, соответствует ли пространство плоской геометрии.

Результаты наблюдений хорошо согласуются с почти плоским пространством. В частности, совместный анализ данных космической обсерватории Planck и измерений распределения галактик дал значение параметра кривизны, совместимое с нулем в пределах погрешности. Это сильный аргумент в пользу того, что наблюдаемая область Вселенной очень близка к геометрически плоской. Но измерение с конечной точностью не может доказать, что кривизна строго равна нулю везде.

Даже Земля кажется плоской, если исследовать достаточно небольшой участок ее поверхности. Кривизна становится заметной лишь при измерениях на гораздо больших расстояниях. Саттер обращает внимание на сходное ограничение космологических наблюдений: доступная нам область может быть слишком мала по сравнению со всей Вселенной, чтобы обнаружить очень слабую кривизну.

Но есть и более неожиданный вариант. Пространство может быть плоским с точки зрения геометрии и при этом замыкаться само на себя. Здесь важно различать геометрию и топологию. Первая описывает, в частности, кривизну пространства. Вторая — то, как его области соединены между собой.

Простейшая двумерная аналогия — лист бумаги. Если мысленно соединить его противоположные края, можно получить поверхность, по которой движение в одном направлении приводит обратно к месту старта. При этом малые треугольники на ней по-прежнему подчиняются правилам геометрии плоскости. В трех измерениях математическое описание таких пространств сложнее, однако общий принцип остается тем же: отсутствие кривизны само по себе еще не отвечает на вопрос, есть ли у пространства конечный объем.

Один из вариантов такого устройства — трехмерный тор. Его удобно представлять не как обычный бублик, а как пространство, в котором противоположные стороны воображаемого куба соединены между собой. Двигаясь через одну сторону, наблюдатель в этой модели возвращался бы с противоположной. Это математическая возможность, а не установленная форма нашей Вселенной.

Если свет может пройти через пространство разными путями и вернуться в уже видимую область, один и тот же космический объект теоретически способен появиться в разных частях неба. Другой возможный признак — совпадающие рисунки на карте реликтового излучения. Для некоторых моделей замкнутого пространства исследователи ищут пары окружностей со схожими температурными узорами.

Убедительного подтверждения таких повторов пока не найдено. Анализ данных Planck не выявил признаков замкнутой топологии в исследованных моделях и на масштабах, к которым чувствителен этот метод. Однако отсутствие сигнала не исключает все возможные варианты устройства пространства: характерный размер замкнутой области может превышать доступный для наблюдений масштаб, а некоторые формы топологии сложнее распознать.

Исследователи показали, что прежние поиски повторяющихся узоров оставляют открытыми многие варианты формы пространства. Более сложные связи между его областями могут создавать сигналы, которые не выглядят как простые одинаковые изображения. Это не доказательство замкнутой Вселенной, а указание на пределы уже проведенных проверок.

Пока наблюдения позволяют уверенно говорить о свойствах доступной нам части космоса: она огромна и на исследованных масштабах близка к геометрически плоской. Из этого не следует однозначный вывод о размерах всего пространства. Оно может уходить далеко за космический горизонт, обладать слишком слабой для нынешних измерений кривизной или иметь такую структуру, при которой разные его области соединены между собой.

Новые измерения способны сузить круг допустимых моделей и обнаружить признаки топологии, которые прежде оставались незамеченными. Но если особенности устройства Вселенной проявляются только далеко за пределами области, откуда к нам может прийти информация, прямого ответа может не быть.