بیشتر مدل‌ها برای شکل کلی و هندسه کیهان - از جمله برخی مدل‌های عجیب و غریب - با آخرین مشاهدات کیهانی سازگار هستند.

تالار آینه ها. خطوط دید در یک 3-چنبره، حلقه های بسته ای تشکیل می دهند که به بیننده باز می گردند. بنابراین به نظر می رسد همه چیز بی نهایت بار تکرار می شود.

آیا جهان به سادگی مانند یک کره به هم متصل است یا حاوی سوراخ هایی مانند یک دونات یا ساختار پیچیده تری است؟ بر اساس جمعی از کیهان شناسان، توپولوژی کیهان- یعنی هندسه کلی آن - هنوز ثابت مانده است. علیرغم ادعاهای گذشته مبنی بر اینکه مشاهدات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) توپولوژی‌های مختلف را رد می‌کند، محققان ادعا می‌کنند که بسیاری از این اشکال، از جمله برخی از اشکال عجیب، با شواهد مغایرتی نداشته اند [1].

تصور می‌شود که هندسه کلی کیهان توسط فرآیندهای کوانتومی که در لحظه اولیه انفجار بزرگ رخ داده است، تعیین شده است. شناسایی توپولوژی جهان سرنخ مهمی در مورد ماهیت آن فرآیندهای کوانتومی در اختیار محققان قرار داده و می‌تواند به آنها کمک کند تا نظریه‌های زیاد پیشنهادی در مورد کیهان اولیه را غربال کنند.

یک توپولوژی داده شده ارتباط فضازمان را توصیف می کند. از جمله توپولوژی های غیر بدیهی که برای کیهان قابل تصور است، یک 3-چنبره ( (3-torusاست. برای تجسم آن، تصور کنید که یک مکعب را با خم کردن یک جفت ضلع مخالف به اطراف، تا زمانی که روبروی یکدیگر قرار بگیرند و سپس آنها را به هم بچسبانید، تغییر شکل دهید. سپس همین کار را برای دو جفت دیگر تصور کنید. یک خط دید از مرکز مکعب که قبلاً تا بی نهایت می رفت، اکنون از طریق یک حلقه بسته به مرکز مکعب باز می گردد.

اطلاعات پس زمینه. الگوهای همبسته در پس زمینه مایکروویو کیهانی می تواند نشان دهنده حلقه های بسته در توپولوژی کیهان باشد.

حلقه‌های بسته در توپولوژی‌های دیگری که ممکن است کیهان را توصیف کنند نیز وجود دارند و می‌توانند منجر به یک توهم نوری شوند: مشاهده همان بخش کیهان در بخش‌های مختلف آسمان. با این حال، در رابطه با هر توپولوژی مقیاس‌های طولی وجود دارد - برای مثال قطر یک حلقه بسته - و اگر مقیاس‌های طول خیلی بزرگ باشند، ممکن است چندین نما از همان همسایگی کیهانی امکان‌پذیر نباشد. شاید این توهم ظاهر نشود زیرا ممکن است از زمان انفجار بزرگ زمان کافی برای رسیدن مقداری از نور به ما نگذشته باشد. به عبارت دیگر، مقیاس های طول ممکن است از «افق CMB» فراتر رود، یعنی فاصله تا منبع قدیمی ترین نوری که می توانیم ببینیم.

نقشه‌های تمام آسمانِ CMB در دهه‌های اخیر نماهای دقیقی از کیهان جوان ارائه کرده‌اند، اما هیچ نشانه‌ای از تکرار الگوها (همبستگی‌ها) که ممکن است حلقه‌های بسته را نشان دهند، دیده نشده است. جستجوی توپولوژی کیهان در CMB، اگر نگوییم پایان یافته، از یک دهه پیش ناامید کننده به نظر می رسید. با این حال، سال گذشته یک گروه بین‌المللی از کیهان‌شناسان که خود را «مجموعه COMPACT» می‌نامند، این تلاش را احیا کردند. اکنون، در اولین انتشار از COMPACT، محققان نشان می‌دهند که برخی از توپولوژی‌های عجیب و غریب در واقع با مشاهدات CMB سازگار هستند و در حقیقت، تاکنون تنها بخش کوچکی از توپولوژی‌های ممکن کاوش شده است.

به جای در نظر گرفتن تمام 18 توپولوژی ریاضی ممکن فضای اقلیدسی (مسطح)، مجموعه COMPACT بر روی 3-چنبره، به نام E₁، و دو مورد از تعمیم های آن، E₂ (یک نسخه پیچانده شده 180 درجه از E₁) و E₃ (یک نسخه پیچانده شده 90 درجه از E₁) تمرکز کرد. استدلال آنها این بود: اگر این توپولوژی های نسبتاً ساده رد نشوند، سایر توپولوژی های پیچیده تر نیز احتمالاً مدعی باقی خواهند ماند.

با توجه به محاسبات این مجموعه، اگر همانطور که انتظار می رود مقیاس مشخصه 3-چنبره E₁ کوچکتر از افق CMB باشد، این توپولوژی توسط مشاهدات فعلی رد می شود. اما معلوم شد که E₂ و E₃ حتی اگر مقیاس آنها بسیار کوتاهتر از افق CMB باشد همچنان در بازی باقی می مانند. این به این دلیل است که اتصال آنها شامل پیچ خوردگی است. ناحیه ای از کیهان که از طریق یک حلقه بسته پیچ خورده (twisted closed loop) مشاهده می شود، دو نما از خود ایجاد می کند که متفاوت هستند اما همبسته باقی می مانند. تعیین اینکه آیا این همبستگی ها یک اثر انگشت توپولوژیکی قابل تشخیص در CMB را ایجاد می کنند یا خیر، در دستور کار بعدی این مجموعه است.

الیور فیلکاکسOliver Philcox کیهان شناس از دانشگاه کلمبیا موافق است که توپولوژی کیهان یک سوال باز باقی می ماند. او می‌گوید: «روش‌های احتمالی زیادی وجود دارد که کیهان می‌تواند از نظر توپولوژیکی به هم متصل شود، و رد کردن آن‌ها سخت است».

-1Y. Akrami et al. (COMPACT Collaboration), “Promise of future searches for cosmic topology,” Phys. Rev. Lett. 132, 171501 (2024).

منبع: