L'universo è considerato piatto?

Ho letto vari articoli e libri (come questo ) affermando che non siamo certi della geometria dell'universo, ma c'erano esperimenti in corso o pianificati che ci avrebbero aiutato a scoprirlo.

Di recente, però, ho visto una conferenza del cosmologo Lawrence Krauss in cui sembra affermare categoricamente che l'universo ha dimostrato di essere piatto dall'esperimento BOOMERanG . Ecco la parte pertinente del discorso .

Mi sono guardato intorno e ci sono ancora articoli che affermano che non conosciamo ancora la risposta a questa domanda, come questa .

Quindi, la mia domanda è duplice:

1. Sto mescolando concetti e parlando di cose diverse?
2. In caso contrario, questa prova non è ampiamente accettata per qualche motivo? Quale motivo sarebbe?

Penso che il motivo per cui stai soffrendo di fonti contrastanti è che stai mescolando informazioni nuove e vecchie, non aggiornate. Prima di tutto, il libro che hai citato è stato pubblicato nel 2001 - 15 anni fa - e l'altro articolo che citi è stato pubblicato nel 1999 - 17 anni fa. C'è stato molto lavoro svolto negli ultimi 15 anni, spesso sotto il termine "cosmologia di precisione", nel tentativo di definire con precisione il contenuto, la forma, le dimensioni, ecc. Del nostro Universo. All'inizio degli anni 2000 conoscevamo praticamente la scienza alla base di tutto (sapevamo della materia oscura, dell'energia oscura, delle teorie ben sviluppate sul Big Bang, ecc.) Ma ciò che non avevamo erano numeri buoni, solidi, credibili per mettere in queste teorie, spiegando perché la piattezza dell'universo era ancora contestata nelle tue fonti.

Ti indirizzerò verso due osservatori incredibilmente importanti che sono stati fondamentali per raggiungere il nostro obiettivo di avere "buoni numeri". La prima è la Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) , lanciata nel 2001, e la seconda è il satellite Planck , lanciato nel 2009. Entrambe le missioni sono state progettate per fissare con attenzione la radiazione cosmica di microonde (CMB) e cercare di risolvere tesoro di informazioni che possono essere raccolte da esso. In questa ottica, potresti anche imbatterti in Cosmic Background Explorer (COBE), lanciato nel 1989. Questo satellite aveva uno scopo simile a quello degli altri due, ma non era così preciso come le due missioni successive quanto a fornirci un buon numero e dichiarazioni definitive all'inizio degli anni 2000. Per questo motivo mi concentrerò principalmente su ciò che WMAP e Planck ci hanno detto.

$\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$$\Omega_0 < 1$$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$, permettendoci di dire definitivamente che il nostro universo appare piatto. Come dici tu, anche l'esperimento BOOMERanG ha fornito buone prove per questo, ma non credo che i risultati siano stati quasi altrettanto potenti di quelli di WMAP.

$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

$\Omega_0 \simeq 1$

I presupposti di base del principio cosmologico significano che lo spazio può avere solo una curvatura scalare costante. Questo può essere positivo, negativo o zero e un universo piatto è quello in cui la curvatura è zero.

La curvatura dello spazio è qualcosa che può essere misurato e il valore corrente è noto per essere vicino a zero , non solo da BOOMERanG, ma da osservazioni successive . La cosmologia Vanilla FLRW ha difficoltà a spiegarlo ed è noto come il problema della piattezza . Tuttavia, la visione convenzionale è che l'inflazione cosmica fa un lavoro molto accurato nel risolvere questo problema.

Tuttavia, un Universo veramente piatto deve avere una curvatura spaziale esattamente zero su larga scala, quindi per determinare veramente se l'Universo è piatto, anche usando un numero di ipotesi ragionevoli richiede una misurazione esatta, che è impossibile. Quindi l'osservazione non può mai escludere la possibilità che l'Universo possa avere una curvatura positiva o negativa molto piccola.

Inoltre, se si rilassa leggermente il principio cosmologico dalla sua interpretazione più rigorosa, la curvatura scalare non determina completamente la topologia dell'Universo, aprendo la porta alle cosiddette topologie esotiche. Ad esempio un universo piatto potrebbe avere una topologia toroidale ed essere compatto (di volume spaziale finito).

Mi chiedi "Sto mescolando concetti e parlando di cose diverse?" Non ho modo di sapere se lo sei o no, ma il titolo del tuo post e la prima frase sono in qualche modo in contrasto. La tua domanda "L'universo è considerato piatto?" riguarda la curvatura, che di per sé non determina completamente la geometria, mentre l'affermazione "non siamo certi della geometria dell'universo, ma ci sono stati esperimenti in corso o pianificati che ci aiuterebbero a scoprire" potrebbe parlare di qualcosa più generico.

Il primo dei tuoi collegamenti è al libro The Shape of Space di Jeffrey Weeks , che concentra molta attenzione sulla topologia dello spazio. La Tabella 19.1 a pagina 186 elenca alcune possibili topologie per i casi di spazio curvo positivamente, piatto e curvo negativamente. La stessa pagina contiene l'affermazione sorprendente "Quando la prima edizione di questo libro è apparsa nel 1985, molti cosmologi erano completamente inconsapevoli delle varietà chiuse con geometria piatta o iperbolica". Sono curioso di sapere se si tratta di una giusta caratterizzazione.

Nella pagina precedente di quel libro (pagina 185), le prove, a partire dal 2001, per una geometria piatta sono brevemente delineate. In particolare, si afferma che "Nuovi dati (provenienti da studi su supernove distanti e radiazione cosmica di fondo a microonde) dimostrano chiaramente che l'universo visibile non è iperbolico, ma piatto". La stessa pagina contiene la domanda "L'universo è chiuso o aperto? In altre parole, lo spazio è finito o infinito?" e la risposta "In breve, non lo sappiamo." Gli ultimi due capitoli del libro parlano di "Cristallografia cosmica" e "Cerchi nel cielo", due proposti approcci osservativi alla topologia dell'universo.

Apparentemente il lavoro nella topologia dell'universo continua ad essere attivo. Scholarpedia contiene una recensione recente .

Sì, è considerato spazialmente piatto sulle scale più grandi che possiamo osservare, ma dobbiamo ricordare che le misurazioni scientifiche derivano da incertezze e che i nostri modelli possono essere sostituiti da quelli migliori. Al momento, abbiamo osservazioni che affermano che l'universo è spazialmente piatto con un alto grado di precisione, ma c'è ancora un po 'di spazio di manovra perché sia ​​leggermente curvo che non possiamo escludere. Inoltre, possiamo solo osservare la parte dell'universo che possiamo vedere, non possiamo sapere che il resto dell'universo ha la stessa curvatura della nostra porzione. Abbiamo una comprensione teorica che sarebbe molto difficile per l'universo essere vicino al piano, senza essere estremamente vicino al piano, quindi ci aspettiamo che sia estremamente vicino al piano. Ma le teorie possono essere sostituite e di solito lo sono,esattamente piatto.

Ma la linea di fondo è che abbiamo entrambe ottime osservazioni e una buona teoria (la teoria dell'inflazione e il fatto che la piattezza sia instabile con l'età sotto la relatività generale), che concordano l'universo sulle scale più grandi che possiamo osservare è molto vicino allo spazio spaziale. Quindi, possiamo creare un modello in cui è piatto e utilizzarlo con successo. Questo è tutto ciò che ottieni nella scienza.

Solo per aggiungere alla risposta di @zephyr, LISA ha sparato 3 laser nello spazio per formare un triangolo per misurare la planarità dello spazio: se la somma dei 3 angoli è esattamente uguale a 180 gradi, allora lo spazio è piatto; la deviazione da 180 gradi indica quanto lo spazio è curvo e l'orientamento della curvatura. Ma se la dimensione dello spazio è troppo piccola, gli angoli si sommano esattamente a 180 gradi; è come guardare la superficie della Terra e pensare che appaia piatta quando è effettivamente rotonda. LISA ha misurato esattamente 180 gradi, quindi uno spazio è effettivamente piatto o possiamo limitare la curvatura dello spazio su scale più grandi con barre di errore.

EDIT: è stato LISA, non WMAP, a fare l'esperimento laser. Grazie a @zephyr per la correzione.