Гравитация вызывает однородность Вселенной

Гравитация может ускорить гомогенизацию пространства-времени по мере развития Вселенной. Это понимание основано на теоретических исследованиях физика Дэвида Фаджмана из Венского университета. Математические методы, разработанные в рамках исследовательского проекта, позволяют исследовать фундаментальные открытые вопросы космологии, например, почему Вселенная сегодня кажется такой однородной.

Временная эволюция Вселенной от Большого взрыва до настоящего времени описывается уравнениями Эйнштейна из общей теории относительности. Однако остается ряд открытых вопросов о космологической динамике, истоки которых лежат в предполагаемых расхождениях между теорией и наблюдениями. Один из этих открытых вопросов: почему Вселенная в ее нынешнем состоянии настолько однородна в больших масштабах?

От Большого взрыва до наших дней

Предполагается, что Вселенная находилась в экстремальном состоянии вскоре после Большого взрыва, характеризуемом, в частности, сильными флуктуациями кривизны пространства-времени.

В ходе длительного процесса расширения Вселенная затем эволюционировала к своему нынешнему состоянию, которое является однородным и изотропным в больших масштабах — проще говоря: космос везде выглядит одинаково.

Об этом, среди прочего, свидетельствуют измерения так называемого фонового излучения, которое кажется очень однородным во всех направлениях наблюдения. Эта однородность удивительна тем, что даже две области Вселенной, которые были причинно отделены друг от друга, то есть не могли обмениваться информацией, по-прежнему демонстрируют идентичные значения фонового излучения.

Альтернативные теории

Чтобы разрешить это предполагаемое противоречие, была разработана так называемая теория инфляции, которая постулирует фазу чрезвычайно быстрого расширения сразу после Большого взрыва, что, в свою очередь, может объяснить однородность фонового излучения.

Однако то, как эту фазу можно объяснить в контексте теории Эйнштейна, требует ряда модификаций теории, которые кажутся искусственными и не могут быть проверены напрямую.

Гомогенизация под действием гравитации

До сих пор не было ясно, можно ли полностью объяснить гомогенизацию Вселенной уравнениями Эйнштейна. Причина этого — сложность уравнений и связанная с этим сложность анализа их решений — моделей Вселенной — и прогнозирования их поведения.

В конкретной задаче необходимо математически проанализировать временную эволюцию изначально сильных отклонений от однородного состояния в виде космологических гравитационных волн. Необходимо показать, что они распадаются в процессе расширения, позволяя Вселенной получить свою однородную структуру.

Такой анализ основан на современных математических методах в области геометрического анализа.

До сих пор эти методы могли достигать таких результатов только при небольших отклонениях от однородной геометрии пространства-времени. Давиду Файману из Венского университета впервые удалось перенести эти методы на случай сколь угодно больших отклонений.

Результаты, опубликованные в известном журнале Physical Review Letters, показывают, что гомогенизация в исследуемом классе моделей уже полностью объяснена теорией Эйнштейна и не требует каких-либо дополнительных модификаций.

Если это открытие можно перенести на более общие модели, это означает, что не обязательно нужен такой механизм, как инфляция, для объяснения состояния нашей нынешней Вселенной, и что теория Эйнштейна может, наконец, снова восторжествовать.

David Fajman. Future Attractors in 2+1 Dimensional Λ Gravity, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.121102