Milžiniška skylė kosmosą užpildančiame galaktikų tinkle. Milijardus šviesmečių nutįsusi kvazarų gija. Per 6 procentus regimosios visatos išplitęs itin energingų radiacijos blyksnių žiedas. Vis tikslėjant kosmoso stebėjimams, astronomai ima įžvelgti struktūras, didesnes, nei bet kada anksčiau. Tik bėda: nė vienos iš jų nė neturėtų būti.
Milžiniška skylė kosmosą užpildančiame galaktikų tinkle. Milijardus šviesmečių nutįsusi kvazarų gija. Per 6 procentus regimosios visatos išplitęs itin energingų radiacijos blyksnių žiedas. Vis tikslėjant kosmoso stebėjimams, astronomai ima įžvelgti struktūras, didesnes, nei bet kada anksčiau. Tik bėda: nė vienos iš jų nė neturėtų būti.
Nuo pat tada, kai Kopernikas iškėlė savo revoliucingą idėją, kad Žemės vieta tarp žvaigždžių nėra kuo nors ypatinga, astronomai šią mintį laikė fundamentalia. Iš jos išsivystęs kosmologinis principas eina dar toliau ir teigia, kad jokia visatos vieta nėra kuo nors ypatinga. Žinoma, planetų sistemų, galaktikų ir galaktikų spiečių lygiu, gali būti erdvės individualumui, bet žvelgiant pakankamai dideliu masteliu, visata turėtų būti homogeniška. Jokių galaktikų sienų ar tuščių plotų ir jokių milžiniškų struktūrų.
Tad, nieko nuostabaus, kad nauji atradimai kosmologus glumina. Bet jų paaiškinimas gali būti ne menkiau kontroversiškas. Vienas tyrėjas teigia, kad šios milžiniškos struktūros yra iliuzijos, kitų matmenų projekcijos, pirmasis kitų realybių, be mūsiškės, įrodymas. Jeigu jis teisus, ir šie dalykai neegzistuoja kaip fiziniai objektai mūsų visatoje, tada kosmologinis principas gali ir toliau būti ramus.
Išskirtinių visatos regionų koncepcija yra modernios kosmologijos prakeiksmas. „Nuo pat Renesanso buvo mąstoma, kaip šią idėją įveikti“, – sako Seshadri Nadathur, Portsmoutho universiteto (JK) kosmologas. Ji padaro Einšteino Bendrosios reliatyvumo teorijos panaudojimą, aiškinantis gravitacijos reikšmę mūsų visatos evoliucijoje dar sunkesne užduotimi, nei ji dabar yra. „Einšteino lygtis daug lengviau išspręsti, tariant, kad visata yra beveik homogeniška“, – sako Nadathuras. Bet kol kas kosmologinis principas yra būtent tai – prielaida. Nėra konkrečių jo teisingumo įrodymų, o turimi įrodymai kuo toliau, tuo labiau atrodo nukreipti prieš jį.
Tarkime, ta didžioji visatos skylė – beveik 2 milijardų šviesmečių skersmens plynė, pasak vieno iš jos atradėjų, András Kovács iš Aukštųjų energijų fizikos instituto Barselonoje, Ispanijoje. „Šioje dangaus dalyje trūksta 10 000 galaktikų, lyginant su visatos vidurkiu“, – sako Kovács. Remdamiesi naujausiais duomenimis, astronomai mano, kad kosmologinis principas turi būti taikomas maždaug milijardo šviesmečių masteliu, o vidutinis medžiagos kiekis duotame tūryje daugmaž toks pats. Didelė, kone dvigubai didesnė už šį matą, tuščia dėmė barkšo it sopamas pirštas. Kovács ir jo komanda šį didžiulį plotą vadina superplyne, ir mano, kad ji galėtų paaiškinti jau ilgiau nei dešimtmetį ramybės astronomams neduodančią gigantišką kosminio mikrobangų fono šaltąją dėmę.
Ir superplynė nėra nė pusė jos. Jau 2012 metais Roger Clowes iš Centrinio Lankašyro universiteto, JK, vadovaujama komanda teigė radusi dar didesnę struktūrą, išplitusią per >4 mlrd šviesmečių – daugiau nei dvigubai didesnę už superplynę. „Galvojome „Kas tai!?“ Nes tai tikrai buvo kažkas labai neįprasto“, – prisimena Clowes. Tačiau šį kartą erdvė buvo ne tuščia, o ypač prigrūsta. Vadinamoje Milžiniškoje didelių kvazarų grupėje (Huge Large Quasar Group) yra 73 kvazarai – šviesūs, aktyvūs labai tolimų galaktikų centriniai regionai. Astronomai nuo XX a. devintojo dešimtmečio žinojo, kad kvazarai linkę burtis draugėn, bet niekada anksčiau nebuvo stebėtas grupavimasis tokiu dideliu masteliu.
Tada anksčiau šiais metais Vengrijos astronomai atrado kolosalią gama spindulių žybsnių (GRB) grupę – itin energingų, trumpai gyvuojančių energijos žybsnius, besiveržiančius tolimose galaktikose. GRB skleidžiančios galaktikos sudaro 5,6 milijardų šviesmečių skersmens žiedą – 6 % visos regimosios visatos dydžio. „Iš tiesų nesitikėjome atrasti ką tokio milžiniško“, – sako vadovavęs tyrimui Lajos Balázs iš the Konkoly observatorijos Budapešte, Vengrijoje. Jis penkis kartus didesnis už tipišką mastelį, kai turėtų imti galioti kosmologinis principas.
Kosmologinis principas mūsų supratimui apie visatą toks fundamentaliai svarbus, kad tokie neatitikimai kosmologus ir astronomus verčia jaustis labai nepatogiai, netgi tuos, kurie ir atrado šiuos neatitikimus. Tarkime, kalbant apie intensyvius šviesos blyksnius, sudarančius GRB žiedą, gali būti, kad juos supa kitos galaktikos, dabar šviečiančios blankiau dėl GRB nebuvimo. Panašiai būtų tamsiame kambaryje, kuriame lemputės pasiskirsčiusio tolygiai: jei pažvelgus į kambarį, švies tik kelios, tikriausiai padarysite klaidingas išvadas apie jų išsidėstymą. „Tai nebūtinai prieštarauja kosmologiniam principui“, – sako Balázs.
Milžinų žudikų sukilimas
Milžiniška didelių kvazarų grupė irgi kelia aršius debatus. „Nemanau, kad tai yra kokia nors struktūra,“ abejoja Nadathur. 2013 metai jis publikavo straipsnį, kuriame tyrė algoritmą, kurį Clowes ir jo komanda naudojo duomenų analizei, skaičiuodami tikimybę, kad atsitiktinis kvazarų išsidėstymas sudarytų regimą struktūrą. „Tikimybė išvysti tokią struktūrą, kokią rado jie, net jei ten nieko nėra, gan dideli“, – pastebi jis. Bet milžiną laidoti dar gali būti anksti. Clowes'o PhD studentas, Gabriel Marinello, rašo straipsnį, kuriame nesutinka su Nadathuro teiginiais, apibūdina kaip „konservatyvius ir nerealistiškus“. Jis teigia, kad užuot modeliavęs atsitiktinį pasiskirstymą, Nadathuras turėjo atsižvelgti į faktą, kad kvazarai – kaip ir kad ir kitos galaktikos – linkusios burtis maždaug 300 mln šviesmečių masteliu.
Kaip ir kvazarų grupės atveju, Nadathuras mano, kad superplynė irgi galėtų būti suderinta su kosmologiniu principu. „Šis principas neteigia, kad kokia viena vieta negali nukrypti nuo normos, tiesiog, kad dideliu masteliu visata turi būti homogeniška“, – sako Nadathuras. Trumpai tariant, tikimybė rasti tokiu objektus, kaip superplynė nėra nulinė. Tiesiog jų negali būti pernelyg daug.
Bet Raineris Dickas, fizikos teoretikas iš Saskatchewano universiteto Kanadoje įsitikinęs, kad pastangos numoti ranka į šias kosmines megastruktūras nėra teisingos. Išties, jis sako, kad jos turėtų būti vertinamos kaip geriausi mūsų bandymai išlaikyti kosmologinį principą gyvą. Tereikia sutikti, kad šios struktūros iš tiesų neegzistuoja. Vietoje to, jos yra pirmieji įrodymai, kad kiti matmenys braunasi į mūsiškius, palikdami purvinus pėdsakus šiaip jau glotniame ir homogeniškame kosminiame fone.
Tai skamba kaip beprotiškai drąsi mintis – bet ją remia tvirtas teorinių darbų pamatas. Pirmiausia, kitų matmenų pasitelkimas nėra nieko nauja. Dešimtmečius daug teoretikų vertino papildomus matmenis kaip daugiausia vilčių teikiantį būdą apjungti Einšteino BRT su kitu XX amžiaus fizikos bastionu – kvantų teorija. Suporavus šias, regis, nieko bendra neturinčias koncepcijas, kur viena puikiausiai tvarkosi su labai dideliais masteliais, o kita idealiai aprašo labai mažus objektus, galėtų būti gauta vadinamoji visko teorija, viskam tinkanti struktūra, galinti aprašyti visatą.
Populiarus kandidatas – M teorija, stygų teorijos, kaip žinia, teigiančios, kad gyvename 11 matmenų visatoje, kur kiti 7 matmenys taip glaudžiai susukti, kad lieka neregimi, praplėtimas. Tai elegantiškas ir matematiškai patrauklus modelis, palaikomas daugelio įtakingų rėmėjų. Bet jis turi vieną svarbų trūkumą: jis nepateikia tvirtų prognozių, kurias būtų galima patikrinti. Dicko darbas su stygų teorijos generalizavimu, branų teorija tokias prognozes pateikti gali, ir išsprendžia kosmologinio principo dilemą.
Branų teorija grindžiama idėja, kad tai, ką suvokiame kaip mūsų visatą, yra viena keturmatė membrana, plaukiojanti panašių branų, įsitaisiusių ir kituose matmenyse, jūroje. Tokia idėja nėra nesuderinama su pripažinta gravitacijos teorija, sako Dickas, kadangi „galima pridėti be galo didelius papildomus matmenis ir vis vien gauti bendrąjį reliatyvumą“.
Nors kitos branos užima papildomus matmenis, ir jų stebėti tiesiogiai neįmanoma, teorija rodo, kad galėtume pastebėti kaimyninės visatos susidūrimo su mūsiške padarinius.
O kaip tai padėtų spręsti kosmologinio principo problemą? Na, norėdami išmatuoti atstumą iki tolimų objektų, astronomai naudoja vadinamąjį raudonojo poslinkio efektą. Jie spektrometru – prašmatnia prizmės versija – suskaido šviesą į sudėtines dalis, kad būtų matomos juostos, vadinamosios spektro linijos. Dėl visatos plėtimosi tolyn nuo mūsų judančio objekto šviesa bus ištempta į ilgesnių, raudonesnių bangų pusę, o spektro linijos atrodys pasislinkusios į raudonąją spektro pusę. Kuo tolimesnis objektas, tuo greičiau nuo mūsų jis atrodys tolstantis ir tuo labiau bus pasislinkusios linijos. Užfiksavę, kad daugelio objektų raudonasis poslinkis vienodas, astronomai interpretuos, kad tai tam tikra struktūra, kaip GRB žiedas ar didžiulių kvazarų grupė.
Tačiau stebint regioną, kur kita brana kertasi su mūsų, raudonojo poslinkio matavimai gali būti iškraipyti. Tokiomis sąlygomis vienos branos fotonai paveiktų kitoje branoje esančias krūvį turinčias daleles – šį reiškinį Dickas vadina branų kryžkalba. „Persiklojimo regione tai pakeistų atstumą tarp vandenilio atomo energijos lygmenų“, – sako jis. Tarp šių energijos lygmenų judantys elektronai spinduliuoja arba sugeria fotonus, kurdami spektro linijas, kuriomis remiamės, nustatydami jų atstumą iki Žemės.
Bet jei branų kryžkalba susiaurina tarpą tarp energijos lygių, fotonai spinduliuotų šiek tiek ilgesnes bangas – pasireikštų raudonasis poslinkis, neturintis nieko bendro su visatos plėtimusi. Į tai neatsižvelgus ir tariant, kad visas matuojamas raudonasis poslinkis randasi vien dėl atstumo, tada bus sistemiškai pervertinamas tikrasis atstumas iki persiklojimo regiono, su didžiuliais tuščios erdvės plotais, regimais tikrojoje jų vietoje (žr. diagramą).
Jei toks modelis pasitvirtins, branų persiklojimo plotuose turėtų būti objektų su vienokiu raudonuoju poslinkiu sambūris ir nebūti objektų su kitokius – optinė iliuzija, dėl kurios homogeniška visata atrodytų turinti masyvias struktūras ir gigantiškas tuštumas. Tai vienu mostu paaiškintų kvazarų grupės ir GRB žiedo, o taip pat superplynės kilmę, sako Dickas. „Šios struktūros atitinka potencialų branų kryžkalbos signalą.“
Be abejo, tai nėra akivaizdžiai lengvai išsprendžiamas atvejas. „Norint, kad tai įvyktų, reikia priimti daug prielaidų, o kai kurios iš jų gali būti pernelyg pritemptos“, – sako Moataz Emam iš New York College valstijos universiteto Cortlande. Emam taip pat įspėja, kad kai kurios Dicko teorijoje naudojamos prielaidos apie gravitaciją anksčiau buvo smarkiai kritikuotos, taip pat ir stygų teorijos specialistų sunkiai suderinti ją su savo skaičiavimais. „Bet jo modelis yra tikrai patikrinamas“, – sako jis.
Emamas siūlo būtinų įrodymų ieškoti, stebint dangaus dalis, kur tankiai apgyventi regionai yra šalia tuštesnių plotų. Jei raudonojo poslinkio neatitikimas visais atvejais bus identiškas, tai gali rodyti, kad mūsų brana persikloja su kita.
Naudodamas Sloan Digital Sky Survey (SDSS) – detaliausią iki šiol sudarytą trimatį visatos žemėlapį – Dickas planuoja duomenų bazėse ieškoti jo teoriją remiančių raudonojo poslinkio duomenų. „Tai būtų išties svarus įrodymas, kad mūsų visata nėra vieniša“, – sako jis. Toks atradimas ne tik paaiškintų kai kuriuos iš paslaptingiausių astronomijos stebėjimų, bet ir suteiktų abstrakčiajai stygų teorijai trokštamą eksperimentinį pagrindą.
Bet pastangos apkarpyti didžiausius visatos objektus gali lemti naujų monstrų atsiradimą. Tarkime, branų, be mūsiškės, atradimas, mestų rimtą iššūkį trapiam žmonijos vietos kosmose jausmui, ir mūsų koncepciją apie kosmoso homogeniškumą paverstų nesąmone. Didžiulėje sąveikaujančių membranų multivisatoje, kosmologinio principo gali būti neverta laikytis.
KFM šaltoji dėmė
Kosminiame mikrobangų fone (KMF), didžiojo sprogimo spinduliavimo liekanoje, yra įspaudai visatos kai jai tebuvo ~400 000 metų. KMF žemėlapyje pilna raudonų ir mėlynų dėmelių, rodančių šiek tiek karštesnius ir vėsesnius naujagimės visatos regionus. Mūsų supratimas apie tuo laiku veikusią fiziką numato, kad šios variacijos turėtų būti mažos, ir didžioji jų dalis tokia ir yra. Tačiau 2004 metais, mokslininkai, naudodami WMAP palydovą paskelbė radę šaltą, daug didesnę už kitas, dėmę. Iš pradžių jie galvojo, kad tai gali būti matavimų klaida. Tada Europos kosmoso agentūros palydovas Planck ją irgi užfiksavo. rūks plyš reikėjo naujo modelio.
Tarp perspektyviausių lieka į vienodos visatos idėją ginančių pašonę (žr. pagr. str.) durianti superplynės teorija. Pagal ją, didelis tuščios erdvės plotas yra išsidėstęs ta pačia, šaltosios dėmės kryptimi. Prieš pasiekdami mus, KFM fotonai, kilę iš už superplynės, turėtų ją kirsti. Dėl greitėjančio visatos plėtimosi, iš šios skurdžios erdvės išlekiantys fotonai pastebėtų, kad materija nėra tokia tanki, kaip kad buvo jiems įlekiant, dėl to jų patiriamas gravitacinis potencialas, tad ir energija sumažėtų. Kadangi fotonų energijos naudojamos šaltinio temperatūros nustatymui, mes neteisingai interpretuotume jų gimtąjį regioną kaip šaltesnį už visus kitus dangaus tašku.
