O universo é considerado plano?

Eu li vários artigos e livros (como este ) afirmando que não temos certeza sobre a geometria do universo, mas havia experimentos em andamento ou planejados que nos ajudariam a descobrir.

Recentemente, porém, assisti a uma palestra do cosmólogo Lawrence Krauss, onde ele parece afirmar categoricamente que o universo foi provado ser plano pelo experimento BOOMERanG . Aqui está a parte relevante da palestra .

Eu olhei em volta e ainda há artigos informando que ainda não sabemos a resposta para esta pergunta, como esta .

Então, minha pergunta é dupla:

1. Estou misturando conceitos e falando sobre coisas diferentes?
2. Se não, então essa evidência não é amplamente aceita por algum motivo? Que razão seria essa?

Acho que o motivo pelo qual você está sofrendo com fontes conflitantes é que está misturando informações novas e antigas e desatualizadas. Primeiro, o livro que você citou foi publicado em 2001 - há 15 anos - e o outro artigo que você citou foi publicado em 1999 - há 17 anos. Nos últimos 15 anos, houve muito trabalho, muitas vezes sob o termo "cosmologia de precisão", na tentativa de realmente determinar o conteúdo, forma, tamanho, etc. precisos do nosso Universo. No início dos anos 2000, já sabíamos a ciência por trás de tudo (sabíamos sobre matéria escura, energia escura, tinha teorias bem desenvolvidas sobre o Big Bang etc.), mas o que não tínhamos era um número bom, sólido e crível. para colocar nessas teorias, explicando por que a planicidade do universo ainda era contestada em suas fontes.

Vou direcioná-lo para dois observatórios incrivelmente importantes que foram fundamentais para alcançar nosso objetivo de ter "bons números". O primeiro é o Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) , lançado em 2001, e o segundo é o satélite Planck , lançado em 2009. Ambas as missões foram projetadas para olhar atentamente para a radiação Cosmic Microwave Background (CMB) e tentar classificar o tesouro de informações que podem ser obtidas a partir dele. Nesse sentido, você também pode encontrar o Cosmic Background Explorer (COBE), lançado em 1989. Este satélite tinha um objetivo semelhante aos outros dois, mas não era tão preciso quanto as duas missões posteriores, a fim de fornecer bons números e declarações definitivas no início dos anos 2000. Por esse motivo, vou me concentrar principalmente no que WMAP e Planck nos disseram.

O WMAP foi uma missão de enorme sucesso, que encarou o CMB por 9 anos e criou o mapa mais detalhado e abrangente de seus dias. Com 9 anos de dados, os cientistas foram realmente capazes de reduzir os erros observacionais em várias quantidades cosmológicas, incluindo a planicidade do universo. Você pode ver uma tabela de seus parâmetros cosmológicos finais aqui . Para o nivelamento, o que você deseja fazer é adicionar (densidade da matéria bariônica), (densidade da matéria escura) e (densidade da energia escura). Isso fornecerá o parâmetro de densidade geral , , que informa a uniformidade do nosso universo. Como eu tenho certeza que você sabe de suas fontes, se$\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$$\Omega_0 < 1$ temos um universo hiperbólico, se nosso universo é plano e implica um universo esférico. A partir dos resultados do WMAP, temos o (alguém pode verificar minha matemática) que está muito próximo de um, indicando um universo plano. Até onde eu sei, o WMAP foi o primeiro instrumento a fornecer uma medição realmente precisa de , permitindo dizer definitivamente que nosso universo parece plano. Como você diz, o experimento BOOMERanG também forneceu boas evidências para isso, mas não acho que os resultados tenham sido tão poderosos quanto os do WMAP.$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$

O outro satélite importante aqui é Planck. Lançado em 2009, este satélite nos forneceu as melhores medições de alta precisão do CMB até hoje. Vou permitir que você analise os resultados deles em seu trabalho , mas o ponto crucial é que eles medem a planicidade do nosso universo como (calculado nesta tabela de resultados ), novamente extremamente próximo a um.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

Em conclusão, resultados recentes (nos últimos 15 anos) permitem afirmar definitivamente que nosso Universo parece plano. Eu não acho que, neste momento, alguém contesta isso ou acredita que ainda é incerto. Como geralmente acontece com a ciência, responder a uma pergunta só resultou em mais perguntas. Agora que sabemos , temos que perguntar por que é esse? A teoria atual sugere que não deveria ser - que deveria ser enormemente pequeno ou enormemente grande. Isso é conhecido como o problema da planicidade . Isso, por sua vez, investiga o Princípio Antrópico como uma tentativa de resposta, mas, então, estou saindo do escopo desta pergunta.$\Omega_0 \simeq 1$

As suposições básicas do princípio cosmológico significam que o espaço só pode ter curvatura escalar constante. Isso pode ser positivo, negativo ou zero e um Universo plano é aquele em que a curvatura é zero.

A curvatura do espaço é algo que pode ser medido e o valor atual é conhecido por estar próximo de zero , não apenas do BOOMERanG, mas de observações subsequentes . A cosmologia de baunilha FLRW tem dificuldade em explicar isso e é conhecida como problema de planicidade . No entanto, a visão convencional é que a inflação cósmica faz um trabalho muito preciso na solução desse problema.

No entanto, um Universo verdadeiramente plano deve ter uma curvatura espacial exatamente igual a zero em larga escala, para determinar verdadeiramente se o Universo é plano, mesmo usando uma série de suposições razoáveis ​​requer uma medição exata, o que é impossível. Portanto, a observação nunca pode descartar a possibilidade de o Universo ter uma curvatura positiva ou negativa muito pequena.

Além disso, se você relaxar um pouco o princípio cosmológico de sua interpretação mais estrita, a curvatura escalar não determina completamente a topologia do Universo, abrindo a porta para as chamadas topologias exóticas. Por exemplo, um universo plano poderia ter uma topologia toroidal e ser compacto (de volume espacial finito).

Você pergunta "Estou misturando conceitos e falando sobre coisas diferentes?" Não tenho como saber se você é ou não, mas o título do seu post e a primeira frase estão em desacordo. Sua pergunta "O universo é considerado plano?" diz respeito à curvatura, que por si só não determina completamente a geometria, enquanto a afirmação "não temos certeza sobre a geometria do universo, mas houve experimentos em andamento ou planejados que nos ajudariam a descobrir" pode estar falando de algo Mais general.

O primeiro de seus links é o livro de Jeffrey Weeks, The Shape of Space , que concentra muita atenção na topologia do espaço. A Tabela 19.1 na página 186 lista algumas topologias possíveis para os casos de espaço positivamente curvado, plano e negativamente curvado. A mesma página contém a surpreendente declaração "Quando a primeira edição deste livro apareceu em 1985, muitos cosmólogos desconheciam completamente as variedades fechadas com geometria plana ou hiperbólica". Estou curioso para saber se isso é uma caracterização justa.

Na página anterior desse livro (página 185), as evidências, a partir de 2001, de uma geometria plana são resumidas brevemente. Em particular, há a afirmação de que "novos dados (provenientes de estudos de supernovas distantes e da radiação cósmica de fundo no microondas) mostram um forte argumento de que o universo visível não é hiperbólico, mas plano". A mesma página contém a pergunta "O universo está fechado ou aberto? Em outras palavras, o espaço é finito ou infinito?" e a resposta "Resumindo, não sabemos". Os dois últimos capítulos do livro discutem "Cristalografia Cósmica" e "Círculos no céu", duas propostas de abordagens observacionais para a topologia do universo.

Aparentemente, o trabalho na topologia do universo continua ativo. A Scholarpedia contém uma revisão recente .

Sim, é considerado espacialmente plano nas maiores escalas que podemos observar, mas devemos lembrar que as medidas científicas vêm com incertezas, e nossos modelos podem ser substituídos por melhores. Atualmente, temos observações que dizem que o universo é espacialmente plano com um alto grau de precisão, mas ainda há espaço de manobra para que ele fique um pouco curvado que não podemos descartar. Além disso, podemos apenas observar a parte do universo que podemos ver, não podemos saber que o resto do universo tem a mesma curvatura que nossa porção. Temos um entendimento teórico de que seria muito difícil para o universo estar próximo do plano, sem estar extremamente próximo do plano, portanto esperamos que ele seja extremamente próximo do plano. Mas as teorias podem ser substituídas e geralmente são,exatamente plano.

Mas o ponto principal é que temos duas observações muito boas e uma boa teoria (a teoria da inflação e o fato de que a planicidade é instável com a idade sob relatividade geral), que concordam que o universo nas maiores escalas que podemos observar é muito perto de espacialmente plana. Portanto, podemos criar um modelo no qual ele é plano e usá-lo com sucesso. Isso é tudo que você recebe na ciência.

Apenas para adicionar à resposta de @zephyr, o LISA disparou 3 lasers no espaço para formar um triângulo, a fim de medir a planicidade do espaço: se a soma dos 3 ângulos é exatamente igual a 180 graus, então o espaço é plano; o desvio de 180 graus indica quanto o espaço é curvo e a orientação da curvatura. Mas se o tamanho do espaço for muito pequeno, os ângulos serão somados exatamente a 180 graus; é como olhar para a superfície da Terra e pensar que ela parece plana quando na verdade é redonda. O LISA media exatamente 180 graus, de modo que o espaço é realmente plano ou podemos restringir a curvatura do espaço em escalas maiores com barras de erro.

EDIT: Foi o LISA, não o WMAP, que fez o experimento com laser. Obrigado a @zephyr pela correção.