Konforemna kosmologia cykliczna (, CCC) – hipoteza kosmologiczna zaproponowana przez Rogera Penrose’a. Według niej Wszechświat nie ma jednej historii biegnącej od Wielkiego Wybuchu ku odległej przyszłości. Ma przechodzić przez nieskończony ciąg kolejnych okresów, nazywanych eonami. Bardzo odległa przyszłość jednego eonu ma być zarazem początkiem następnego.
Model został sformułowany w ramach ogólnej teorii względności. Przejście między eonami opisuje się za pomocą przekształcenia konforemnego, które zachowuje strukturę rozchodzenia się światła, ale zmienia skalę odległości i czasu. Dzięki temu nieskończenie odległą przyszłość jednego eonu można przedstawić jako skończoną granicę i utożsamić ją z początkiem kolejnego.
CCC jest modelem spekulatywnym i nie należy do standardowego modelu ΛCDM. Penrose wiązał go m.in. z niską entropią początku kosmicznego oraz możliwymi śladami poprzednich eonów w mikrofalowym promieniowaniu tła. Zgłaszane przez zwolenników CCC sygnały pozostają jednak kontrowersyjne, a niezależne analizy danych CMB – w tym reanaliza z 2024 roku – nie potwierdziły ich istotności statystycznej.
Główna idea mały|Roger Penrose, autor modelu konforemnej kosmologii cyklicznej Punktem wyjścia CCC jest opis czasoprzestrzeni w języku geometrii konforemnej, czyli takiej, która zachowuje strukturę stożków świetlnych, ale pozwala zmieniać lokalną skalę metryki. W takim opisie istotne są zależności przyczynowe i kierunki światła, a nie bezwzględne jednostki długości i czasu. Penrose wykorzystuje tę własność, aby porównać bardzo odległą przyszłość jednego Wszechświata z bardzo wczesnym stanem następnego eonu.
W najprostszym przykładzie każdy eon opisuje rozszerzająca się czasoprzestrzeń typu Friedmana-Lemaître’a-Robertsona-Walkera, ale formalizm CCC dopuszcza też bardziej ogólne geometrie. Jeżeli w dalekiej przyszłości dominują cząstki bezmasowe i promieniowanie, skale długości oraz czasu tracą znaczenie operacyjne dla fizyki konforemnej. Po odpowiednim przeskalowaniu konforemnym przyszła granica jednego eonu może zostać potraktowana jako gładka granica początkowa kolejnego eonu.
W takim obrazie Wielki Wybuch nie jest początkiem całego ciągu eonów, lecz przejściem między kolejnymi sektorami historii kosmicznej. Każdy z nich ma własną ewolucję od gorącego, gęstego początku do bardzo odległej przyszłości, ale granica między nimi ma być regularna po stronie geometrii konforemnej.
Konstrukcja konforemna mały|Diagram Penrose’a czasoprzestrzeni Minkowskiego: po przekształceniu konforemnym cała nieskończoność czasowa i przestrzenna zostaje przedstawiona w skończonym obszarze. CCC wykorzystuje pokrewną konstrukcję, utożsamiając przyszłą granicę jednego eonu z początkiem następnego W standardowej geometrii relatywistycznej metryka opisuje zarówno strukturę przyczynową, jak i skale długości. W przekształceniu konforemnym zastępuje się ją metryką proporcjonalną gdzie jest dodatnim czynnikiem skalującym w obszarze czasoprzestrzeni. Taka zmiana zachowuje stożki świetlne, dlatego jest naturalna w opisie promieniowania i cząstek bezmasowych.
Aby opisać przejście między eonami, dla każdego z nich wybiera się czynnik konforemny, który w dalekiej przyszłości dąży do zera albo nieskończoności w taki sposób, by „ściśnięta” przyszła granica jednego eonu mogła zostać sklejona z „rozciągniętą” początkową granicą następnego. Granica ta nie ma być zwykłą osobliwością metryczną, lecz powierzchnią, przez którą opis konforemny przechodzi gładko.
W takim formalizmie używa się pojęć pokrewnych diagramom Penrose’a, gdzie nieskończoność czasowa może zostać przedstawiona w skończonym obszarze diagramu po przeskalowaniu konforemnym. CCC idzie jednak dalej: nie jest tylko narzędziem rysowania czasoprzestrzeni, lecz hipotezą fizyczną, że daleka przyszłość jednego eonu jest geometrycznie utożsamiana z początkiem następnego.
Masa, entropia i przejście między eonami Warunkiem działania modelu jest to, aby w bardzo odległej przyszłości poprzedniego eonu znaczenie masy cząstek stało się zaniedbywalne dla opisu konforemnego. Cząstki o niezerowej masie wprowadzają skale czasu i długości, które psułyby prostą identyfikację konforemną. Penrose wskazywał dlatego na potrzebę zaniku lub utraty znaczenia masy w dalekiej przyszłości, m.in. przez rozpad cząstek, anihilację albo pochłonięcie materii przez czarne dziury i późniejsze promieniowanie Hawkinga.
Jednym z problemów CCC jest status masywnych cząstek stabilnych, takich jak protony lub elektrony. W tym kontekście Penrose zakłada, że protony ostatecznie ulegną rozpadowi, traktując to jako hipotezę niewiele odbiegającą od konwencjonalnej fizyki. Rozpad elektronu ani utrata jego masy nie są natomiast elementami standardowych scenariuszy fizyki cząstek. Z tego powodu wymóg „bezmasowej” dalekiej przyszłości jest jedną z najbardziej spekulatywnych części modelu.
Penrose łączy CCC także ze swoją , według której bardzo wczesny Wszechświat miał szczególnie niski stopień entropii grawitacyjnej. W modelu cyklicznym granica między eonami ma przenosić stan niskiej krzywizny Weyla, co miałoby wyjaśniać, dlaczego Wielki Wybuch był tak uporządkowany grawitacyjnie mimo wysokiej temperatury.
Czarne dziury i informacja W CCC bardzo duże znaczenie ma odległa przyszłość czarnych dziur. W standardowym opisie czarne dziury mogą w końcu parować wskutek promieniowania Hawkinga, a po bardzo długim czasie ich masa przechodziłaby w promieniowanie. Penrose sugerował, że taki proces pomaga doprowadzić eon do stanu, w którym dominują cząstki bezmasowe, i opis konforemny staje się naturalny.
Model jest też powiązany z , ponieważ wymaga, by przy przejściu między eonami nie pozostawały masywne nośniki szczegółowej informacji o poprzednim świecie. W ujęciu Penrose’a utrata informacji w czarnych dziurach jest elementem tego obrazu, a nie problemem, który model musi całkowicie wyeliminować. To odróżnia CCC od podejść, które próbują zachować unitarność ewolucji w pełnym procesie parowania.
Proponowane testy obserwacyjne mały|Mapa anizotropii mikrofalowego promieniowania tła. W jej strukturze zwolennicy CCC poszukiwali śladów poprzedniego eonu – koncentrycznych kręgów niskiej wariancji oraz punktów Hawkinga Próby testowania CCC koncentrują się na mikrofalowym promieniowaniu tła i poszukiwaniu w nim śladów poprzedniego eonu.
Koncentryczne kręgi niskiej wariancji W 2010 roku i Roger Penrose twierdzili, że dane WMAP i BOOMERanG zawierają koncentryczne kręgi o niskiej wariancji, które miałyby być śladami gwałtownych zdarzeń w poprzednim eonie. Autorzy interpretowali je jako możliwe sygnały pochodzące ze spotkań czarnych dziur w związanych grawitacyjnie gromadach galaktyk. Kolejne takie zdarzenia w tej samej gromadzie miały tworzyć kręgi o wspólnym środku, ponieważ w opisie konforemnym cała gromada zbiega się na granicy eonów do jednego punktu.
Niezależne analizy odtworzyły wskazywane struktury, lecz nie potwierdziły ich istotności statystycznej. Wehus i Eriksen oraz Hajian wykazali, że po uwzględnieniu realistycznego szumu i wyboru wielu tysięcy możliwych środków kręgi są zgodne z gaussowskimi symulacjami CMB. Moss, Scott i Zibin otrzymali podobne obszary niskiej wariancji nawet dla pierścieni trójkątnych, co wskazywało, że zastosowana statystyka nie wyróżnia struktur kołowych. DeAbreu i współpracownicy potwierdzili występowanie pozornie szczególnych kierunków także w danych Plancka, ale znaleźli je równie często w symulacjach. Pozorny zanik kręgów o dużych promieniach wyjaśnili przyjętym kryterium wyszukiwania.
W 2013 roku Gurzadyan i Penrose zastosowali do danych WMAP procedurę , która nie korzystała z symulowanych map. Przekształcała ona obraz nieba tak, że poszukiwanie okręgów odpowiadało szukaniu zdeformowanych eliptycznie pierścieni w danych rzeczywistych. DeAbreu i współpracownicy wykazali jednak, że takie przekształcenie zmienia korelacje temperatury i profil wariancji, dlatego porównanie z niezmienionym progiem nie było miarodajne. W pracy z 2016 roku Gurzadyan i Penrose przedstawili analizę danych Plancka, która według nich dawała obraz podobny do wcześniejszych wyników WMAP.
Punkty Hawkinga Tzw. punkty Hawkinga zaproponowali w 2018 roku Daniel An, Krzysztof Meissner, Paweł Nurowski i Roger Penrose, a ich pracę opublikowano w 2020 roku w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Według interpretacji CCC są to niewielkie obszary podwyższonej temperatury w mapach CMB, pozostałe po parowaniu supermasywnych czarnych dziur z poprzedniego eonu. W kolejnych analizach kluczowe stało się pytanie, czy zgłaszane punkty są statystycznie odróżnialne od fluktuacji oczekiwanych w standardowym modelu.
Analiza Dylana Jowa i Douglasa Scotta z 2020 roku odtworzyła silny sygnał dla wcześniej wybranych rozmiarów pierścieni. Po uwzględnieniu , czyli korekty związanej z wyszukiwaniem anomalii w wielu miejscach i skalach, 13% symulacji dawało jednak sygnał silniejszy niż dane rzeczywiste. Odpowiadało to poziomowi ufności 87%, niewiele przekraczającemu jedno odchylenie standardowe, i nie stanowiło statystycznie przekonującego dowodu na CCC.
W reanalizie opublikowanej w 2024 roku (z preprintem z 2022 roku) Eve Bodnia i współpracownicy zbadali dane Plancka i WMAP pod kątem obu rodzajów sygnałów. Po zastosowaniu masek pierwszego planu i wyłączeniu kilku nietypowo jasnych lub ciemnych kilkupikselowych plam nie znaleźli statystycznie istotnych kręgów niskiej wariancji. Nie stwierdzili też statystycznie istotnych punktów Hawkinga o testowanym przestrzennie gaussowskim profilu, amplitudzie 100–400 µK i rozmiarze kątowym 0,7–1,2°. Autorzy podkreślili zarazem, że brak tych sygnałów w danych dostępnych do 2024 roku nie obala CCC, lecz wskazuje na potrzebę dokładniejszych danych lub bardziej precyzyjnych przewidywań modelu.
+ Zgłaszane ślady poprzednich eonów w mikrofalowym promieniowaniu tła i ich niezależne weryfikacje Analiza Rok Przedmiot Wniosek Gurzadyan, Penrose 2010 koncentryczne kręgi (WMAP, BOOMERanG) zgłoszone jako możliwe ślady poprzedniego eonu Wehus, Eriksen 2011 kręgi (WMAP) zgodne z modelem ΛCDM Moss, Scott, Zibin 2011 kręgi zgodne z realistycznymi symulacjami gaussowskiego CMB Hajian 2011 kręgi zgodne z gaussowskim niebem CMB DeAbreu i inni 2015 kręgi zgodne ze standardowym modelem kosmologicznym An, Meissner, Nurowski, Penrose 2018 (publ. 2020) punkty Hawkinga zgłoszone jako ślady poprzedniego eonu Jow, Scott 2020 punkty Hawkinga brak istotności po uwzględnieniu wyboru skali Bodnia i inni 2024 kręgi i punkty Hawkinga brak istotności po wyłączeniu nietypowych plam
Status i krytyka Konforemna kosmologia cykliczna pozostaje hipotezą mniejszościową. Nie zastępuje standardowego modelu ΛCDM w analizie danych kosmologicznych, a jej charakterystyczne przewidywania obserwacyjne nie zostały dotąd niezależnie potwierdzone. Krytyka dotyczy zarówno podstaw fizycznych przejścia między eonami, jak i statystyki proponowanych sygnałów w CMB.
Do trudnych problemów należą: konieczność wyjaśnienia zaniku lub nieistotności masywnych cząstek w dalekiej przyszłości, związek z fizyką czarnych dziur i informacją, status niskiej entropii na granicy między eonami oraz sposób formułowania jednoznacznych testów obserwacyjnych. Problemy te nie falsyfikują samego formalizmu, ale pokazują, że CCC wymaga założeń wykraczających poza standardowy zestaw potwierdzonych składników kosmologii.
Formalizm nie gwarantuje również, że po przeskalowaniu wynik równań Einsteina da się zinterpretować jako fizycznie rozsądny model materii w nowym eonie. W obliczeniach Toda jedynie składnik wiodący miał postać izotropowego płynu promieniowania, natomiast kolejne przybliżenie zawierało poprawki anizotropowe.