Là vũ trụ được coi là phẳng?

Tôi đã đọc nhiều bài báo và sách khác nhau (như cuốn này ) nói rằng chúng ta không chắc chắn về hình học của vũ trụ, nhưng có những thí nghiệm đang diễn ra hoặc được lên kế hoạch sẽ giúp chúng ta tìm ra.

Gần đây, tôi đã xem một bài giảng của nhà vũ trụ học Lawrence Krauss , nơi ông dường như khẳng định một cách cụ thể rằng vũ trụ đã được chứng minh là phẳng bởi thí nghiệm BOOMERanG . Đây là phần có liên quan của cuộc nói chuyện .

Tôi đã nhìn xung quanh và vẫn có những bài báo nói rằng chúng ta vẫn chưa biết câu trả lời cho câu hỏi này, như bài này .

Vì vậy, câu hỏi của tôi là hai lần:

1. Tôi có pha trộn các khái niệm và nói về những thứ khác nhau?
2. Nếu không thì bằng chứng này không được chấp nhận rộng rãi bởi một số lý do? Lý do đó sẽ là gì?

Tôi nghĩ lý do bạn gặp phải các nguồn xung đột là do bạn trộn lẫn cả những thông tin mới và cũ, lỗi thời. Trước hết, cuốn sách bạn trích dẫn đã được xuất bản năm 2001 - 15 năm trước - và bài báo khác mà bạn trích dẫn đã được xuất bản vào năm 1999 - 17 năm trước. Đã có rất nhiều công việc được thực hiện trong 15 năm qua, thường theo thuật ngữ "vũ trụ chính xác", trong nỗ lực thực sự tìm hiểu nội dung, hình dạng, kích thước, v.v. chính xác của Vũ trụ của chúng ta. Vào đầu những năm 2000, chúng ta đã biết rất nhiều về khoa học đằng sau mọi thứ (chúng ta biết về vật chất tối, năng lượng tối, có những lý thuyết phát triển tốt về Vụ nổ lớn, v.v.) nhưng những gì chúng ta không có, là những con số tốt, vững chắc, đáng tin để đưa vào những lý thuyết này, giải thích tại sao độ phẳng của vũ trụ vẫn còn bị tranh cãi trong các nguồn của bạn.

Tôi sẽ hướng dẫn bạn đến hai đài quan sát cực kỳ quan trọng, điều tối quan trọng để đạt được mục tiêu của chúng tôi là có "số tốt". Đầu tiên là Máy dò Anistropy Lò vi sóng Wilkinson (WMAP) , được phóng vào năm 2001, và thứ hai là vệ tinh Planck , được phóng vào năm 2009. Cả hai nhiệm vụ được thiết kế để nhìn chăm chú vào bức xạ của Lò vi sóng vũ trụ (CMB) và cố gắng loại bỏ kho tàng thông tin có thể được lượm lặt từ nó. Theo hướng này, bạn cũng có thể bắt gặp Trình thám hiểm nền vũ trụ (COBE), được phóng vào năm 1989. Vệ tinh này có mục đích tương tự như hai chiếc kia, nhưng gần như không chính xác như hai nhiệm vụ sau này để cung cấp cho chúng tôi những con số tốt và những tuyên bố dứt khoát vào đầu những năm 2000. Vì lý do đó, tôi chủ yếu tập trung vào những gì WMAP và Planck đã nói với chúng tôi.

WMAP là một nhiệm vụ cực kỳ thành công, đã nhìn chằm chằm vào CMB trong 9 năm và tạo ra bản đồ chi tiết và toàn diện nhất trong ngày. Với 9 năm dữ liệu, các nhà khoa học đã thực sự có thể giảm các lỗi quan sát trên các đại lượng vũ trụ khác nhau, bao gồm cả độ phẳng của vũ trụ. Bạn có thể xem bảng các thông số vũ trụ cuối cùng của họ ở đây . Đối với độ phẳng, những gì bạn muốn làm là cộng (mật độ vật chất baryonic), Ω d (mật độ vật chất tối) và Ω Λ (mật độ năng lượng tối). Điều này sẽ cung cấp cho bạn thông số mật độ tổng thể , Ω $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$, cho bạn biết sự bằng phẳng của vũ trụ của chúng ta. Như tôi chắc chắn bạn biết từ các nguồn của mình, nếu chúng ta có vũ trụ hyperbol, nếu Ω 0 = 1 vũ trụ của chúng ta phẳng và Ω 0 > 1 ngụ ý vũ trụ hình cầu. Từ kết quả của WMAP, chúng ta có Ω 0 = 1.000 ± 0,049 (ai đó có thể kiểm tra toán học của tôi) rất gần với một, cho thấy một vũ trụ phẳng. Theo như tôi biết, WMAP là công cụ đầu tiên đưa ra phép đo thực sự chính xác là Ω $\Omega_0 < 1$$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$, cho phép chúng ta nói dứt khoát rằng vũ trụ của chúng ta xuất hiện phẳng. Như bạn nói, thí nghiệm BOOMERanG cũng cung cấp bằng chứng tốt cho việc này, nhưng tôi không nghĩ rằng kết quả cũng mạnh mẽ như WMAP.

Vệ tinh quan trọng khác ở đây là Planck. Ra mắt vào năm 2009, vệ tinh này đã cung cấp cho chúng tôi các phép đo độ chính xác cao nhất của CMB cho đến nay. Tôi sẽ cho bạn tìm hiểu kết quả của họ trong bài báo của họ , nhưng điểm nổi bật là họ đo độ phẳng của vũ trụ của chúng ta là (tính từ bảng kết quả này ), một lần nữa cực kỳ gần với một.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

$\Omega_0 \simeq 1$

Các giả định cơ bản của nguyên lý vũ trụ có nghĩa là không gian chỉ có thể có độ cong vô hướng không đổi. Điều này có thể là tích cực, tiêu cực hoặc bằng không và một vũ trụ phẳng là một trong đó độ cong bằng không.

Độ cong của không gian là thứ có thể đo được và giá trị hiện tại được biết là gần bằng 0 , không chỉ từ BOOMERanG, mà từ các quan sát tiếp theo . Vũ trụ học Vanilla FLRW gặp khó khăn khi giải thích điều này và nó được gọi là vấn đề phẳng . Tuy nhiên, quan điểm thông thường là lạm phát vũ trụ thực hiện một công việc rất gọn gàng trong việc giải quyết vấn đề này.

Tuy nhiên, một vũ trụ phẳng thực sự phải có độ cong không gian chính xác bằng 0 trên quy mô lớn, vì vậy để xác định thực sự vũ trụ có phẳng hay không, thậm chí sử dụng một số giả định hợp lý đòi hỏi một phép đo chính xác, điều này là không thể. Vì vậy, quan sát không bao giờ có thể loại trừ khả năng Vũ trụ có thể có độ cong dương hoặc âm rất nhỏ.

Ngoài ra, nếu bạn thư giãn một chút về nguyên lý vũ trụ từ cách giải thích chặt chẽ nhất của nó, độ cong vô hướng không hoàn toàn xác định cấu trúc liên kết của Vũ trụ, mở ra cánh cửa cho cái gọi là cấu trúc liên kết kỳ lạ. Ví dụ, một vũ trụ phẳng có thể có cấu trúc liên kết hình xuyến và nhỏ gọn (có thể tích không gian hữu hạn).

Bạn hỏi "Tôi có trộn lẫn các khái niệm và nói về những thứ khác nhau không?" Tôi không có cách nào để biết bạn có hay không, nhưng tiêu đề bài viết của bạn và câu đầu tiên có phần mâu thuẫn. Câu hỏi của bạn "Vũ trụ có được coi là phẳng không?" mối quan tâm về độ cong, mà bản thân nó không hoàn toàn xác định hình học, trong khi tuyên bố "chúng tôi không chắc chắn về hình học của vũ trụ, nhưng có những thí nghiệm đang diễn ra hoặc có kế hoạch sẽ giúp chúng tôi tìm ra" có thể đang nói về điều gì đó tổng quát hơn.

Liên kết đầu tiên của bạn là cuốn sách The Shape of Space của Jeffrey Weekks , tập trung rất nhiều sự chú ý vào cấu trúc liên kết của không gian. Bảng 19.1 trên trang 186 liệt kê một số cấu trúc liên kết có thể có đối với các trường hợp không gian cong dương, phẳng và cong âm. Cùng một trang chứa tuyên bố đáng ngạc nhiên "Khi ấn bản đầu tiên của cuốn sách này xuất hiện vào năm 1985, nhiều nhà vũ trụ học hoàn toàn không biết về các đa tạp kín với hình học phẳng hoặc hyperbol." Tôi tò mò về việc đó là một đặc tính công bằng.

Trên trang trước của cuốn sách đó (trang 185), bằng chứng, vào năm 2001, cho một hình học phẳng được phác thảo ngắn gọn. Cụ thể, có tuyên bố rằng "Dữ liệu mới (đến từ các nghiên cứu về siêu tân tinh xa xôi và bức xạ nền vi sóng vũ trụ) tạo ra một trường hợp mạnh mẽ rằng vũ trụ hữu hình không phải là hyperbolic, mà là phẳng". Cùng một trang chứa câu hỏi "Vũ trụ đóng hay mở? Nói cách khác, không gian là hữu hạn hay vô hạn?" và câu trả lời "Nói ngắn gọn, chúng tôi không biết." Hai chương cuối của cuốn sách thảo luận về "Tinh thể vũ trụ" và "Vòng tròn trên bầu trời", hai phương pháp quan sát được đề xuất đối với cấu trúc liên kết của vũ trụ.

Rõ ràng làm việc trong cấu trúc liên kết của vũ trụ tiếp tục hoạt động. Scholarpedia chứa một đánh giá gần đây .

Vâng, nó được coi là không gian phẳng trên quy mô lớn nhất mà chúng ta có thể quan sát, nhưng chúng ta phải nhớ rằng các phép đo khoa học đi kèm với sự không chắc chắn, và các mô hình của chúng ta có thể được thay thế bằng các thang đo tốt hơn. Vào thời điểm hiện tại, chúng ta có những quan sát nói rằng vũ trụ phẳng về mặt không gian với độ chính xác cao, nhưng vẫn còn một số phòng ngọ nguậy ở đó để nó hơi cong mà chúng ta không thể loại trừ. Ngoài ra, chúng ta chỉ có thể quan sát phần vũ trụ mà chúng ta có thể nhìn thấy, chúng ta không thể biết rằng phần còn lại của vũ trụ có độ cong giống như phần của chúng ta. Chúng ta có một sự hiểu biết về mặt lý thuyết rằng vũ trụ sẽ rất khó gần với mặt phẳng, mà không cực kỳ gần với mặt phẳng, vì vậy chúng ta hy vọng nó rất gần với mặt phẳng. Nhưng các lý thuyết có thể được thay thế và thường là,chính xác bằng phẳng.

Nhưng điểm mấu chốt là, chúng ta có cả những quan sát rất tốt, và một lý thuyết tốt (lý thuyết về lạm phát và thực tế là độ phẳng không ổn định theo tuổi dưới thuyết tương đối rộng), đồng ý rằng vũ trụ ở quy mô lớn nhất mà chúng ta có thể quan sát là rất gần bằng phẳng không gian. Do đó, chúng ta có thể tạo một mô hình trong đó là phẳng và sử dụng mô hình đó thành công. Đó là tất cả những gì bạn từng có trong khoa học.

Chỉ cần thêm vào câu trả lời của @zephyr, LISA đã bắn 3 tia laser vào không gian để tạo thành một hình tam giác để đo độ phẳng của không gian: nếu tổng 3 góc chính xác bằng 180 độ, thì không gian bằng phẳng; độ lệch từ 180 độ cho bạn biết không gian cong như thế nào và hướng của độ cong. Nhưng nếu kích thước của không gian quá nhỏ, thì các góc sẽ tổng hợp chính xác 180 độ; điều này giống như nhìn vào bề mặt Trái đất và nghĩ rằng nó trông phẳng khi nó thực sự tròn. LISA đo chính xác 180 độ, do đó, không gian thực sự bằng phẳng hoặc chúng ta có thể hạn chế độ cong của không gian trên quy mô lớn hơn với các thanh lỗi.

EDIT: Đó là LISA, không phải WMAP, đã thực hiện thí nghiệm laser. Cảm ơn @zephyr đã sửa chữa.