Evrenin Bir Simit Gibi Görünüp Görünmediğini Merak Eden Bilim İnsanları

Bu, evrenin topolojisi için birçok olasılıktan sadece biri. COMPACT (Anomaliler ve Kozmik Topolojinin Gözlemleri, Modelleri ve Tahminleri Üzerine İşbirliği) adlı uluslararası ortaklığın bir üyesi olan Madrid Teorik Fizik Enstitüsü'nden Yashar Akrami, "Uzayın şeklini belirlemeye çalışıyoruz." diyor. Mayıs ayında, ekipleri evrenin şekli sorusunun hala açık olduğunu belirterek, bu şekli tanımlamak için gelecekteki olasılıkları araştırıyor.

Topoloji, bir nesnenin parçalarının nasıl bağlandığını belirler. Bir simit, bir çay fincanı ile aynı yapıya sahiptir, burada deliği kulpa karşılık gelir: bir kil simidi parçalamadan bir fincana dönüştürebilirsiniz. Benzer şekilde, bir küre, küp ve muz delik olmadan aynı yapıyı paylaşır. Tüm evrenin bir şekle sahip olabileceğini hayal etmek zordur. Topolojinin yanı sıra başka bir unsur daha vardır: eğrilik. Albert Einstein, 1916 genel görelilik teorisinde, büyük nesneler nedeniyle uzayın eğrilebileceğini ve yerçekimi kuvveti oluşturabileceğini göstermiştir.

Uzayı, üç mekansal boyutun tamamına sahip olmak yerine iki boyutlu, bir kağıt yaprağı gibi hayal edin. Düz uzay, düz bir yaprağa benzerken, eğri uzay bir topun yüzeyi (pozitif eğrilik) veya bir eyer (negatif eğrilik) gibi olabilir. Bu olanaklar basit geometri ile ayırt edilebilir. Düz bir yaprak üzerinde, bir üçgenin açıları toplamı 180 dereceye ulaşmalıdır. Ancak eğri bir yüzeyde bu artık geçerli değildir. Yıldızlar gibi uzak nesnelerin gerçek ve görünen boyutlarını karşılaştırarak, astronomlar, ölçebildiğimiz kadarıyla, evrenin bir bütün olarak düz göründüğünü gözlemliyorlar: her bir yıldızın etrafı büküldüğü küçük çukurlarla dolu, düz bir yaprak gibi.

Akrami, "Eğriliği bilerek, olası topoloji türlerini bileceksiniz." diyor. Düz uzay, sonsuz kadar genişleyebilir, sonsuz bir kağıt yaprağı gibi. Bu, en sıradan ve önemsiz olasılıktır. Bununla birlikte, düz geometri, kozmologların 'sezgisel olmayan' olarak adlandırdığı bazı topolojilere de uyar, yani daha ilginç ve akıl almaz olurlar.

Matematiksel nedenlerle, özellikle 18 olasılık vardır. Genellikle, bunlar, boyut olarak sonlu ancak sınırları olmayan bir evrene karşılık gelir: evren ölçeğini aştığınızda başladığınız yere geri dönersiniz. Bu, ekranın sağından çıkan karakterin solundan yeniden göründüğü bir video oyunu ekranı gibidir—ekranın bir döngüye büküldüğü durumlar. Üç boyutta, bu topolojilerin en basiti üç-torustur: bir kutu gibi, herhangi bir yüzünden çıkıp zıt yüzünden yeniden girersiniz.

Tüm evrene ışık hızının sonsuz olması gerekeceğinden bakabilseydiniz, her yönde sonsuz versiyonlarınızı görürdünüz, üç boyutlu bir yansıma salonu gibi. Diğer daha karmaşık topolojiler bu temanın varyasyonlarıdır, örnek olarak, yeniden yerleştirdiğiniz karede görüntüler biraz değişebilir veya belki de sağın sol olduğu şekilde bükülebilir. Evrenin büyüklüğü aşırı yüksek değilse, bu tür tekrarlanan görüntüleri, örneğin galaksimizin bir kopyasını tespit edebiliriz. Jafee, "İnsanlar Samanyolu'nun görüntülerini arayarak çok küçük ölçeklerde topoloji aramaya başladılar." diyor. Ancak bu, ışığın sınırlı hızı nedeniyle basit değildir—"çok uzun zaman önce olduğu gibi bakmalısınız"—ve bu yüzden dublicayı tanımayabilirsiniz. Ayrıca galaksimiz hareket ediyor, bu yüzden dublikanın şu anda olduğumuz yerde olmayacağını söylüyorlar. Daha egzotik topolojiler, bunu da değiştirebilir. Her şeye rağmen, astronomlar böyle bir kozmik dublisayi gözlemlemediler.

Diğer yandan, evren gerçekten büyük ama sonsuz değilse, farkı asla ayırt edemeyebiliriz, diyor Akrami. Yine de, evren sonluysa, en azından bazı yönlerde, ve görebildiğimiz en uzak mesafe kadar büyük değilse, şeklini ayırt edebilmeliyiz. Bunu başarmanın en iyi yollarından biri, Kozmik Mikrodalga Arka Planı'na (CMB) bakmaktır: Büyük Patlama'dan kalan çok zayıf bir sıcaklık parıltısıdır ve evreni mikrodalga radyasyonu ile doldurur. CMB, 1965'te ilk keşfedildi ve Büyük Patlama'nın meydana geldiğine dair ana kanıtlardan biridir. Evrenin her yerinde neredeyse uniformdur. Ancak, astronomlar daha hassas teleskoplar geliştirip onu gökyüzü boyunca tespit edip haritaladıkça, bu mikrodalga denizinde bir noktadan diğerine hafif "sıcaklık" dalgalanmaları buldular. Bu dalgalanmalar, yeni doğmuş evrende rastgele sıcaklık dalgalanmalarının kalıntıları olup, yapı oluşumunu kolaylaştırarak maddenin ekmek üzerindeki tereyağı gibi eşit bir şekilde dağılmamasına neden olmuştur. Dolayısıyla, CMB, evrenin en erken gözlemlenebilir aşamalarında (yaklaşık 10 milyar yıl önce) nasıl göründüğüne dair bir harita olup, etrafımızdaki gökyüzüne işlenmiştir.

Urich, CMB haritasının uluslararası bir proje olan CMB Aşama 4, Şili ve Antarktika'daki onlarca teleskop kullanılarak geliştirilmesinin arama sürecine yardımcı olacağını belirtiyor. Ancak, COMPACT araştırmacıları, şans yaver gitmezse, CMB'nin tek başına topoloji sorusunu kesin olarak yanıtlamamıza izin vermeyeceğini düşünüyor. Yine de, kullanabileceğimiz birçok başka astronomik veri olduğunu belirtiyorlar: sadece CMB haritasının "küresinde" değil, onun içinde, uzayın geri kalanında. Akrami, "Evren'deki her şey topolojiden etkilenir." diyor. "İdeal senaryo, tüm gözlemlenebilir verileri birleştirip, umarız ki topoloji için güçlü bir sinyal elde etmektir." Ekip, ya bu sinyalin bulunmamasını ya da bulunma imkanının gösterilmesini hedefliyorlar. Avrupa Uzay Ajansı'nın geçen yıl fırlatılan Euclid Uzay Teleskobu ve Avustralya ve Güney Afrika'da yapım aşamasında olan SKA Gözlemevi (eski adıyla Square Kilometer Array) radyo teleskop sistemi gibi araçlar, gözlemlenebilir uzay hacminin içindeki şeyler hakkında daha fazla ayrıntı sağlamak için kullanılıyor. Jafee, "Amacımız, evrendeki tüm maddeleri envanterlemek, böylece uzayın ve zamanın küresel yapısını kavrayabilmektir." diyor. Başarılı olursak—ve kozmik topoloji evreni sonlu hale getirirse—Akrami, bir gün tüm evren için bir Google Earth gibi bir şeyimiz olabileceği bir gün hayal ediyor: her şeyin bir haritası."