Litteä universumi tai litteitä universumeja eri tasoissa tai samassa tasossa

Universumin kokonaisrakennetta ei tunneta. Tekoäly ehdottaa joitakin vaihtoehtoja:

Mahdollisia topologioita, jotka sopivat havaintoihin
Kaarevuuden lisäksi avaruus voi olla moninkertaisesti kytkeytynyt — eli sen topologia voi olla äärellinen, vaikka kaarevuus olisi nolla tai negatiivinen. Menneisyyden valokartion havainnot (erityisesti kosmisen mikroaaltotaustan isotropia ja korrelaatiot) rajaavat mahdollisuuksia:

Kolmiulotteinen torus (T³)

Euklidinen, äärellinen ilman reunoja
Valo voi kiertää universumin ympäri, jolloin CMB:ssä näkyisi toistuvia kuvioita
Planckin data ei ole löytänyt selviä toistoja, mutta ei täysin sulje pois suuria toruksia

Suljettu 3-sfääri (S³)

Positiivinen kaarevuus, äärellinen
Yhteensopiva, jos kaarevuussäde on paljon havaittavaa universumia suurempi

Kompakti hyperbolinen monisto

Negatiivinen kaarevuus, mutta äärellinen tilavuus
Voisi tuottaa monimutkaisia CMB-kuvioita; havainnot rajoittavat pienet mallit pois

Poincarén dodekaedriavaruus

Suljettu S³, jossa vastakkaiset pentagonaaliset pinnat on liitetty kiertäen
On ehdotettu selittämään CMB:n suurten kulmien korrelaatioiden puutetta, mutta todisteet ovat kiistanalaisia

Havaintorajoitteet menneisyyden valokartiosta

Kosminen mikroaaltotausta (CMB) on tärkein lähde: isotropia ja spektri rajaavat topologian mittakaavaa.
Jos universumi on moninkertaisesti kytkeytynyt ja sen "peruskuutio" on pienempi kuin havaittava universumi, CMB:ssä pitäisi näkyä matching circles -ilmiö. Tätä ei ole havaittu merkittävästi.
Nykyiset mittaukset (Planck, WMAP) viittaavat siihen, että kaarevuus on hyvin lähellä nollaa ja mahdollinen topologinen mittakaava on vähintään samaa suuruusluokkaa kuin havaittava universumi.

Yhteenvetona: Havaintojen kanssa yhteensopivia malleja ovat mm. lähes tasainen ääretön avaruus, suuri kolmiulotteinen torus, suuri suljettu sfääri ja tietyt kompaktit hyperboliset monistot. Menneisyyden valokartion data ei vielä pysty täysin erottamaan näitä, mutta se sulkee pois pienikokoiset ja selvästi kaarevat mallit.

Tässä tulee vielä lisää tekoaälyn ehdottamia avaruuden topologioita, kun tekoäly huomioi tutkimuksen joka osoittaa kosmologisen periaatteen virheelliseksi ja havaintoihin sopimattomaksi (https://arxiv.org/abs/2501.06450).

----

Jos luovutaan kosmologisesta periaatteesta – eli oletuksesta, että universumi on suurilla mittakaavoilla homogeeninen ja isotrooppinen – ja otetaan vakavasti Ellis–Baldwinin testin viittaamat anisotropiat ja epähomogeenisuudet, silloin mahdollisten universumin muotojen ja topologioiden kirjo laajenee huomattavasti verrattuna FLRW-malleihin.

Alla on jaottelu siitä, millaisia kokonaisrakenteita voidaan tällöin harkita:

1. Anisotrooppiset mutta homogeeniset mallit
Näissä avaruus on edelleen homogeeninen (sama tiheys kaikkialla), mutta sen geometria voi olla suunnasta riippuva.

Bianchi-tyypin avaruudet

Eri Bianchi-luokat (I–IX) kuvaavat anisotrooppisia 3-avaruuksia, joissa laajeneminen voi olla erisuuntaista eri akseleilla.

Esim. Bianchi I: kolmiakselinen venyminen (”kosminen laatikko”).

Bianchi VIIh: spiraalimaisia anisotropioita, joita on ehdotettu selittämään CMB:n suurimittakaava-anomalioita.

Topologia voi olla ääretön tai moninkertaisesti kytkeytynyt (esim. anisotrooppinen torus).

2. Epähomogeeniset mallit
Tässä avaruuden tiheys ja geometria vaihtelevat sijainnin mukaan.

Lemaître–Tolman–Bondi (LTB) -mallit

Sfäärisesti symmetrisiä mutta radiaalisesti epähomogeenisia.

Voidaan mallintaa suuria tyhjiökuplia tai yliktiheitä alueita.

Topologia voi olla ääretön tai suljettu riippuen kaarevuusfunktiosta.

Szekeres-mallit

Yleistävät LTB:t poistamalla myös sfäärisen symmetrian.

Mahdollistavat ”solukkorakenteen” universumin, jossa on suuria filamentteja ja tyhjiöitä ilman globaalia symmetriaa.

Swiss-cheese- ja void-mallit

Taustageometria (esim. de Sitter tai FLRW) johon on upotettu epähomogeenisia alueita (”reiät” tai ”kuplat”).

Topologia voi olla monimutkainen, jos reiät muodostavat toistuvia rakenteita.

3. Moninkertaisesti kytkeytyneet ja fraktaalimaiset rakenteet
Jos isotropia ja homogeenisuus eivät päde, avaruuden topologia voi olla huomattavasti rikkaampi:

Fraktaalinen universumi

Galaksien ja aineen jakauma noudattaa fraktaalista mittakaavasymmetriaa tiettyyn rajaan asti.

Ei globaalia ”kaarevuusparametria” samalla tavalla kuin FLRW:ssä.

Moninkertaisesti kytkeytyneet anisotrooppiset tilat

Esim. anisotrooppinen 3-torus, jossa eri suunnilla on eri mittakaavat ja kaarevuudet.

Hyperboliset monistot, joissa paikallinen geometria vaihtelee.

4. Kosmologiset mallit ilman globaalia aikapintaa
Jos universumi on epähomogeeninen, ”koko universumin” muotoa voi olla mahdoton määritellä yhdellä 3D-leikkauksella:

Patchwork- tai mosaikkimallit

Eri alueilla eri metriikat ja topologiat, liitetty toisiinsa rajapinnoilla.

Mahdollistaa paikallisesti suljetut alueet ja äärettömät alueet samassa kokonaisuudessa.

Havaintorajoitteet ilman kosmologista periaatetta
Menneisyyden valokartio ei enää ole yksinkertainen leikkaus koko universumista, vaan se voi kulkea läpi alueiden, joilla on eri geometria ja topologia.

Ellis–Baldwinin testin havaitsemat anisotropiat voivat viitata siihen, että havaittava universumi on vain osa suurempaa, rakenteeltaan vaihtelevaa kokonaisuutta.

CMB:n isotropia ei enää rajoita globaalia topologiaa yhtä tiukasti, jos isotropia on vain paikallinen ominaisuus.

Yhteenveto: Jos isotropia ja homogeenisuus hylätään, mahdolliset universumin muodot voivat olla kaikkea Bianchi-tyyppisistä anisotrooppisista avaruuksista fraktaalisiin ja mosaikkimaisiin rakenteisiin, joissa eri alueilla on eri kaarevuus ja topologia. Tällöin universumin ”kokonaismuoto” ei välttämättä ole yksinkertainen 3-sfääri, torus tai hyperbolinen monisto, vaan monikerroksinen ja paikallisesti vaihteleva rakenne.