Чи гігантський вакуум розділяє Всесвіт?

Космологи пропонують гігантський космічний вакуум як вирішення проблеми “напруги Хаббла”, кидаючи виклик традиційним моделям і пропонуючи переглянути теорію гравітації Ейнштейна.

Однією з найбільших загадок у космології є швидкість розширення Всесвіту. Це можна передбачити за допомогою Стандартної моделі космології, також відомої як Лямбда холодна темна матерія (ΛCDM). Ця модель заснована на детальних спостереженнях залишкового світла великий вибух – Так званий космічний мікрохвильовий фон (CMB).

Розширення Всесвіту змушує галактики віддалятися одна від одної. Чим далі вони від нас, тим швидше рухаються. Співвідношення між галактичною швидкістю та відстанню регулюється «константою Хаббла», яка становить близько 43 миль (70 км) на секунду на мегапарсек (одиниця довжини в астрономії). Це означає, що галактика Ви набираєте близько 50 000 миль на годину На кожен мільйон світлових років від нас.

На жаль для Стандартної моделі, це значення нещодавно було оскаржене, що призвело до того, що вчені називають «Напруга Хаббла». Коли ми вимірюємо швидкість розширення за допомогою сусідніх галактик і наднових (вибухаючих зірок), вона на 10% більша, ніж тоді, коли ми її передбачили на основі CMB.

Художнє зображення гігантської порожнечі, ниток і стін, що її оточують. Авторство зображення: Пабло Карлос Будасі

В нашому Новий папірМи пропонуємо одне з можливих пояснень: ми живемо у гігантському вакуумі космосу (області щільності, нижчої за середню). Ми показали, що це може призвести до того, що локальні вимірювання посилюються потоками матерії з порожнечі. Відтоки можуть виникати, коли більш щільні області, що оточують вакуум, розтягують його, надаючи більшу силу притягання, ніж речовина меншої щільності у вакуумі.

У цьому сценарії нам потрібно було б бути поблизу центру вакууму з радіусом близько мільярда світлових років і щільністю приблизно на 20% нижчою, ніж у середньому Всесвіту в цілому, тобто не повністю порожнім.

Така велика та глибока порожнеча є несподіваною для Стандартної моделі – і тому викликає суперечки. CMB дає миттєвий знімок структури зароджуваного Всесвіту, припускаючи, що матерія сьогодні повинна бути досить рівномірно розподілена. Однак кількість галактик у різних регіонах підраховується безпосередньо Це вже запропоновано Ми перебуваємо в локальному вакуумі.

Зміна законів тяжіння

Ми хотіли перевірити цю ідею далі, зіставивши кілька різних космологічних спостережень, припустивши, що ми живемо у великому вакуумі, який виник через невеликі коливання щільності в ранні часи.

Для цього ми маємо модель Вона не включала ΛCDM, але альтернативну теорію, яка називається модифікованою ньютонівською динамікою (Монд).

MOND спочатку був запропонований для пояснення аномалій у швидкостях обертання галактик, що призвело до припущення про існування невидимої речовини під назвою «темна матерія». Натомість MOND припускає, що ці аномалії можна пояснити законом тяжіння Ньютона, який порушується, коли сила тяжіння занадто слабка, наприклад у зовнішніх областях галактик.

Загальна історія космічного розширення в MOND буде подібна до Стандартної моделі, але структура (наприклад, скупчення галактик) буде рости швидше в MOND. Наша модель показує, як може виглядати локальний всесвіт у всесвіті MOND. Ми виявили, що це дозволить місцевим вимірюванням сьогоднішньої швидкості розширення коливатися залежно від нашого місцезнаходження.

Коливання температури CMB: детальне зображення всесвіту, що зароджується, створене на основі дев’ятирічних даних WMAP, які виявляють коливання температури давністю 13,77 мільярда років (показано у варіаціях кольорів). Авторство зображення: наукова команда NASA/WMAP

Нещодавні спостереження за галактиками дозволили провести важливий новий тест нашої моделі на основі швидкості, яку вона передбачає в різних місцях. Це можна зробити, вимірявши те, що називається об’ємним потоком, що є середньою швидкістю матеріалу в даній кулі, незалежно від того, щільна вона чи ні. Це змінюється в залежності від радіуса кулі, с Заключні примітки пропозиція Це продовжується До мільярда світлових років.

Цікаво, що величезний потік галактик у цьому масштабі в чотири рази перевищив швидкість, очікувану в Стандартній моделі. Вони також збільшуються разом із розміром регіону, що розглядається, всупереч прогнозам Стандартної моделі. Ймовірність того, що це узгоджується зі Стандартною моделлю, становить менше одного до мільйона.

Це спонукало нас побачити, що передбачило наше дослідження масового потоку. Ми виявили, що це дуже добре матч До нот. Це вимагає, щоб ми були досить близько до центру вакууму, і щоб вакуум був більш порожнім у своєму центрі.

Справа закрита?

Наші результати отримані в той час, коли звичайні рішення тензора Хаббла стикаються з проблемами. Деякі вважають, що нам просто потрібні більш точні вимірювання. Інші вважають, що це можна вирішити, припустивши високу швидкість розширення, яку ми також вимірюємо локально Насправді правильно. Але це вимагає невеликого коригування в історії розширення раннього Всесвіту, щоб CMB все ще виглядав правильно.

На жаль, один впливовий огляд висвітлює сім проблеми При такому підході. Якби Всесвіт розширювався на 10% швидше протягом переважної частини космічної історії, він також був би приблизно на 10% молодшим, що суперечить переважаючій теорії. Вік Одна з найстаріших зірок.

Наявність глибокої розширеної локальної порожнечі в популяціях галактик і спостережувані швидкі великі відтоки переконливо свідчать про те, що структура росте швидше, ніж очікувалося, в ΛCDM в масштабах від десятків до сотень мільйонів світлових років.

Це зображення, зроблене космічним телескопом Хаббл, найбільшого скупчення галактик, яке коли-небудь бачили, коли вік Всесвіту становив половину поточного віку — 13,8 мільярда років. Скупчення містить кілька сотень галактик, які збираються під дією колективної гравітації. Загальна маса скупчення, згідно з новими вимірюваннями Хаббла, оцінюється в 3 мільйони мільярдів зірок, подібних до нашого Сонця (приблизно в 3000 разів більше, ніж наша галактика Чумацький Шлях), хоча більша частина маси прихована. Темна припарка. Темна матерія розташована в синьому накладенні. Оскільки темна матерія не випромінює випромінювання, астрономи Хаббла ретельно виміряли, як її гравітація спотворює зображення далеких фонових галактик, як дзеркало веселого будинку. Це дозволило їм отримати повну оцінку маси. У 2012 році скупчення було названо Ель-Гордо (іспанська означає «товстий»), коли рентгенівські спостереження та кінематичні дослідження вперше показали, що воно було надзвичайно масивним для того часу раннього Всесвіту, коли воно існувало. Дані Хаббла підтвердили, що скупчення переживає бурхливе злиття двох менших скупчень. Джерело зображення: NASA, ESA та J. Джи (Каліфорнійський університет, Девіс)

Цікаво, що ми знаємо, що сформувалося надскупчення Ель Гордо (див. зображення вище). Зарано У космічній історії його маса та швидкість зіткнення настільки високі, що не відповідають стандартній моделі. Це ще один доказ того, що в цій моделі структура формується дуже повільно.

Оскільки гравітація є домінуючою силою в таких великих масштабах, нам, ймовірно, потрібно розширити теорію гравітації Ейнштейна, загальну теорію відносності, але лише на масштаби. Більше мільйона світлових років.

Однак у нас немає хорошого способу виміряти, як поводиться гравітація в набагато більших масштабах, оскільки немає таких великих гравітаційних об’єктів. Ми можемо припустити, що загальна теорія відносності залишається чинною, і порівняти її зі спостереженнями, але саме цей підхід призводить до надзвичайної напруги, з якою зараз стикається наша найкраща модель космології.

Вважається, що Ейнштейн сказав, що ми не можемо вирішувати проблеми за допомогою того самого мислення, яке призвело до проблем в першу чергу. Навіть якщо необхідні зміни не є радикальними, ми можемо побачити перші за понад століття надійні докази того, що нам потрібно змінити нашу теорію гравітації.

Написав Індраніл Панік, науковий співробітник астрофізики Сент-Ендрюського університету.

Адаптовано зі статті, спочатку опублікованої в Розмова.