Czy gigantyczna próżnia dzieli wszechświat?

Kosmolodzy proponują gigantyczną próżnię kosmiczną jako rozwiązanie „napięcia Hubble’a”, kwestionując tradycyjne modele i sugerując rewizję teorii grawitacji Einsteina.

Jedną z największych tajemnic kosmologii jest tempo ekspansji Wszechświata. Można to przewidzieć za pomocą Standardowego Modelu Kosmologii, znanego również jako Zimna ciemna materia Lambda (ΛCDM). Model ten opiera się na szczegółowych obserwacjach światła resztkowego wielka eksplozja – Tzw. kosmiczne mikrofalowe tło (CMB).

Ekspansja Wszechświata powoduje, że galaktyki oddalają się od siebie. Im dalej są od nas, tym szybciej się poruszają. Zależność między prędkością galaktyczną a odległością reguluje „stała Hubble’a”, która wynosi około 70 km na sekundę na megaparsek (jednostka długości w astronomii). Oznacza to, że galaktyka Przyspieszasz około 50 000 mil na godzinę Za każdy milion lat świetlnych od nas.

Na nieszczęście dla Modelu Standardowego wartość ta została ostatnio zakwestionowana, co doprowadziło do tego, co naukowcy nazywają „Napięcie Hubble’a”. Kiedy mierzymy tempo ekspansji na podstawie pobliskich galaktyk i supernowych (wybuchających gwiazd), jest ono o 10% większe niż przewidywaliśmy na podstawie CMB.

Artystyczne przedstawienie gigantycznej pustki oraz otaczających ją sznurów i ścian. Źródło: Pablo Carlos Budasi

W naszym Nowy papierOferujemy jedno możliwe wyjaśnienie: że żyjemy w gigantycznej próżni kosmicznej (obszarze o gęstości mniejszej niż średnia). Pokazaliśmy, że może to prowadzić do wzmacniania lokalnych pomiarów przez strumienie materii z próżni. Wypływy mogą wystąpić, gdy gęstsze obszary otaczające próżnię rozrywają ją, wywierając większą siłę przyciągania niż materia o niższej gęstości w próżni.

W tym scenariuszu musielibyśmy znajdować się blisko środka próżni o promieniu około miliarda lat świetlnych i gęstości około 20% mniejszej niż przeciętny Wszechświat jako całość, czyli niezupełnie pustej.

Tak duża i głęboka pustka jest nieoczekiwana w Modelu Standardowym – i dlatego kontrowersyjna. CMB daje obraz struktury rodzącego się Wszechświata, sugerując, że dzisiejsza materia musi być dość równomiernie rozłożona. Jednak liczbę galaktyk w różnych regionach oblicza się bezpośrednio To już zostało zasugerowane Jesteśmy w lokalnej próżni.

Modyfikowanie praw grawitacji

Chcieliśmy dalej przetestować ten pomysł, dopasowując kilka różnych obserwacji kosmologicznych, zakładając, że żyjemy w dużej próżni, która powstała w wyniku małych wahań gęstości we wczesnych epokach.

Aby to zrobić, mamy Model Nie obejmowała ΛCDM, ale alternatywną teorię zwaną zmodyfikowaną dynamiką Newtona (pon).

Pierwotnie MOND zaproponowano w celu wyjaśnienia anomalii w prędkościach rotacji galaktyk, co doprowadziło do sugestii o istnieniu niewidzialnej substancji zwanej „ciemną materią”. MOND sugeruje zamiast tego, że anomalie te można wyjaśnić prawem grawitacji Newtona, które załamuje się, gdy siła grawitacji jest zbyt słaba – na przykład w zewnętrznych obszarach galaktyk.

Ogólna historia kosmicznej ekspansji w MOND będzie podobna do Modelu Standardowego, ale struktura (taka jak gromady galaktyk) będzie rosła szybciej w MOND. Nasz model ukazuje, jak mógłby wyglądać wszechświat lokalny we wszechświecie MOND. Odkryliśmy, że pozwoliłoby to na wahania lokalnych pomiarów dzisiejszego tempa ekspansji w zależności od naszej lokalizacji.

Wahania temperatury CMB: Szczegółowy obraz całego nieba rodzącego się Wszechświata, utworzony na podstawie danych WMAP z dziewięciu lat, ujawniających wahania temperatury sięgające 13,77 miliarda lat (pokazane w odmianach kolorystycznych). Źródło: Zespół naukowy NASA/WMAP

Niedawne obserwacje galaktyk umożliwiły nowy, kluczowy test naszego modelu w oparciu o przewidywaną prędkość w różnych lokalizacjach. Można tego dokonać mierząc tak zwany przepływ masowy, czyli średnią prędkość materiału w danej kuli, niezależnie od tego, czy jest ona gęsta czy nie. Różni się to w zależności od promienia kuli, z Uwagi końcowe oferta Kontynuuje Do miliarda lat świetlnych.

Co ciekawe, masowy przepływ galaktyk w tej skali czterokrotnie zwiększył prędkość oczekiwaną w Modelu Standardowym. Wydaje się również, że rosną one wraz z wielkością rozpatrywanego regionu, w przeciwieństwie do przewidywań Modelu Standardowego. Prawdopodobieństwo, że jest to zgodne z Modelem Standardowym, jest mniejsze niż jeden na milion.

To skłoniło nas do sprawdzenia, co przewidywało nasze badanie przepływu masowego. Odkryliśmy, że daje bardzo dobre wyniki mecz Do notatek. Wymaga to, abyśmy znajdowali się dość blisko środka próżni i aby próżnia była bardziej pusta w jej środku.

Sprawa zamknięta?

Nasze wyniki uzyskaliśmy w momencie, gdy typowe rozwiązania tensora Hubble’a napotykają problemy. Niektórzy uważają, że potrzebujemy po prostu dokładniejszych pomiarów. Inni uważają, że można to rozwiązać, zakładając wysokie tempo ekspansji, które mierzymy również lokalnie Właściwie poprawne. Wymaga to jednak niewielkiej korekty w historii ekspansji wczesnego wszechświata, aby CMB nadal wyglądało poprawnie.

Niestety, jedna wpływowa recenzja podkreśla siedem problemy Z takim podejściem. Gdyby Wszechświat rozszerzał się o 10% szybciej przez większość historii kosmosu, byłby również o około 10% młodszy – co jest sprzeczne z dominującą teorią. Wieczność Jedna z najstarszych gwiazd.

Obecność głębokiej, rozległej lokalnej pustki w populacjach galaktyk i obserwowane szybkie, duże wypływy silnie sugerują, że struktura rośnie szybciej niż oczekiwano w ΛCDM w skalach od dziesiątek do setek milionów lat świetlnych.

To zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a przedstawiające największą gromadę galaktyk, jaką kiedykolwiek widziano, gdy Wszechświat miał połowę swojego obecnego wieku, wynoszącego 13,8 miliarda lat. Gromada zawiera kilkaset galaktyk, które łączą się pod wpływem zbiorowej grawitacji. Szacuje się, że całkowita masa gromady, udoskonalona w nowych pomiarach Hubble’a, waży aż 3 miliony miliardów gwiazd takich jak nasze Słońce (około 3000 razy więcej niż nasza Galaktyka Droga Mleczna) — choć większość masy jest ukryta. Ciemny okład. Ciemna materia zlokalizowana jest w niebieskiej nakładce. Ponieważ ciemna materia nie emituje promieniowania, astronomowie z Hubble’a zamiast tego dokładnie zmierzyli, w jaki sposób jej grawitacja zniekształca obrazy odległych galaktyk tła niczym lustro w wesołym miasteczku. To pozwoliło im na kompleksowe oszacowanie masy. Gromada została nazwana El Gordo (po hiszpańsku „gruba”) w 2012 roku, kiedy obserwacje rentgenowskie i badania kinematyczne po raz pierwszy wykazały, że była niezwykle masywna jak na czasy wczesnego Wszechświata, kiedy istniała. Dane z Hubble’a potwierdziły, że gromada przechodzi gwałtowne połączenie dwóch mniejszych gromad. Źródło obrazu: NASA, ESA i J. Jee (Uniwersytet Kalifornijski, Davis)

Co ciekawe, wiemy, że utworzyła się supergromada w El Gordo (patrz zdjęcie powyżej). Za wcześnie W historii kosmosu ma masę i prędkość zderzenia tak dużą, że nie mieści się w Modelu Standardowym. Jest to kolejny dowód na to, że struktura w tym modelu tworzy się bardzo powoli.

Ponieważ grawitacja jest dominującą siłą w tak dużych skalach, prawdopodobnie będziemy musieli rozszerzyć teorię grawitacji Einsteina, czyli ogólną teorię względności, ale tylko na skalę. Większy niż milion lat świetlnych.

Nie mamy jednak dobrego sposobu na zmierzenie zachowania grawitacji w znacznie większych skalach, ponieważ nie ma tak dużych obiektów związanych grawitacyjnie. Możemy założyć, że ogólna teoria względności pozostaje aktualna i porównać ją z obserwacjami, ale to właśnie takie podejście prowadzi do ekstremalnych napięć, przed którymi stoi obecnie nasz najlepszy model kosmologii.

Uważa się, że Einstein powiedział, że nie możemy rozwiązywać problemów, stosując ten sam sposób myślenia, który doprowadził do problemów w pierwszej kolejności. Nawet jeśli wymagane zmiany nie będą radykalne, możemy zobaczyć pierwszy od ponad stulecia wiarygodny dowód na to, że musimy zmienić naszą teorię grawitacji.

Napisane przez Indranila Panika, stażystę podoktorskiego w dziedzinie astrofizyki na Uniwersytecie St Andrews.

Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.