Un vid uriaș împarte universul?

Cosmologii propun un vid gigant al spațiului ca soluție la „tensiunea Hubble”, provocând modelele tradiționale și sugerând o revizuire a teoriei gravitației lui Einstein.

Unul dintre cele mai mari mistere din cosmologie este rata de expansiune a universului. Acest lucru poate fi prezis folosind Modelul Standard al Cosmologiei, cunoscut și ca Lambda materie întunecată rece (ΛCDM). Acest model se bazează pe observații detaliate ale luminii reziduale marea explozie – Așa-numitul fundal cosmic cu microunde (CMB).

Expansiunea universului face ca galaxiile să se îndepărteze unele de altele. Cu cât sunt mai departe de noi, cu atât se mișcă mai repede. Relația dintre viteza galactică și distanță este guvernată de „constanta Hubble”, care este de aproximativ 43 mile (70 km) pe secundă per megaparsec (unitate de lungime în astronomie). Aceasta înseamnă că galaxia Câștigă aproximativ 50.000 de mile pe oră Pentru fiecare milion de ani lumină distanță de noi.

Din nefericire pentru modelul standard, această valoare a fost recent contestată, ducând la ceea ce oamenii de știință numesc „Tensiunea Hubble”. Când măsuram rata de expansiune folosind galaxii și supernove din apropiere (stelele care explodează), aceasta este cu 10% mai mare decât atunci când am prezis-o pe baza CMB.

Redare artistică a golului uriaș și a șirurilor și a pereților care îl înconjoară. Credit: Pablo Carlos Budasi

În a noastră Hârtie nouăOferim o posibilă explicație: că trăim într-un vid uriaș al spațiului (o regiune cu densitate mai mică decât media). Am arătat că acest lucru poate duce la amplificarea măsurătorilor locale de fluxurile de materie din vid. Fluxurile de ieșire pot apărea atunci când regiunile mai dense din jurul unui vid îl despart, exercitând o forță de atracție mai mare decât materia cu densitate mai mică din vid.

În acest scenariu, ar trebui să fim aproape de centrul unui vid cu o rază de aproximativ un miliard de ani lumină și o densitate cu aproximativ 20% mai mică decât universul mediu în ansamblu, adică nu complet gol.

Un gol atât de mare și profund este neașteptat în Modelul Standard – și, prin urmare, controversat. CMB oferă un instantaneu al structurii universului în curs de dezvoltare, sugerând că materia de astăzi trebuie să fie răspândită destul de uniform. Cu toate acestea, numărul de galaxii din diferite regiuni este calculat direct Este deja sugerat Suntem într-un vid local.

Modificarea legilor gravitației

Am vrut să testăm această idee în continuare prin potrivirea mai multor observații cosmologice diferite, presupunând că trăim într-un vid mare care a apărut din fluctuațiile mici de densitate la timpuri.

Pentru a face acest lucru, avem model Nu a inclus ΛCDM, ci o teorie alternativă numită dinamică newtoniană modificată (lun).

MOND a fost propus inițial pentru a explica anomaliile în vitezele de rotație ale galaxiilor, ceea ce a condus la sugestia existenței unei substanțe invizibile numită „materie întunecată”. MOND sugerează, în schimb, că aceste anomalii pot fi explicate prin legea gravitației lui Newton, care se descompune atunci când forța gravitației este prea slabă – cum ar fi în regiunile exterioare ale galaxiilor.

Istoria generală a expansiunii cosmice în MOND va fi similară cu Modelul Standard, dar structura (cum ar fi clusterele de galaxii) va crește mai rapid în MOND. Modelul nostru surprinde cum ar putea arăta universul local din universul MOND. Am descoperit că acest lucru ar permite măsurătorilor locale ale ratei de expansiune de astăzi să fluctueze în funcție de locația noastră.

fluctuațiile de temperatură CMB: O imagine detaliată, de tot cerul, a universului în curs de dezvoltare, creată din nouă ani de date WMAP care dezvăluie fluctuații de temperatură vechi de 13,77 miliarde de ani (prezentate în variații de culoare). Credit: NASA/WMAP Science Team

Observațiile recente ale galaxiilor au permis un nou test crucial al modelului nostru, bazat pe viteza pe care o prezice în diferite locații. Acest lucru se poate face prin măsurarea a ceea ce se numește flux în vrac, care este viteza medie a materialului într-o bilă dată, indiferent dacă este dens sau nu. Aceasta variază în funcție de raza mingii, cu Note finale o ofertă Continuă La un miliard de ani lumină.

Interesant este că fluxul masiv de galaxii la această scară a dublat de patru ori viteza așteptată în Modelul Standard. De asemenea, par să crească odată cu dimensiunea regiunii luate în considerare, spre deosebire de ceea ce prezice Modelul Standard. Probabilitatea ca aceasta să fie în concordanță cu modelul standard este mai mică de unu la un milion.

Acest lucru ne-a determinat să vedem ce a prezis studiul nostru privind fluxul în vrac. Am constatat că produce foarte bine Meci La note. Acest lucru necesită să fim destul de aproape de centrul vidului și ca vidul să fie mai gol în centrul său.

Caz inchis?

Rezultatele noastre vin într-un moment în care soluțiile comune la tensorul Hubble au probleme. Unii cred că avem nevoie doar de măsurători mai precise. Alții cred că poate fi rezolvată presupunând rata mare de expansiune pe care o măsurăm și la nivel local De fapt corect. Dar acest lucru necesită o ușoară ajustare a istoriei de expansiune a universului timpuriu pentru ca CMB să arate în continuare corect.

Din păcate, o recenzie influentă evidențiază șapte Probleme Cu această abordare. Dacă universul s-ar extinde cu 10% mai repede în marea majoritate a istoriei cosmice, ar fi, de asemenea, cu aproximativ 10% mai tânăr – ceea ce contrazice teoria dominantă. Vârste Una dintre cele mai vechi vedete.

Prezența unui gol local profund și extins în populațiile galaxiilor și ieșirile mari rapide observate sugerează puternic că structura crește mai rapid decât se aștepta în ΛCDM la o scară între zeci și sute de milioane de ani-lumină.

Aceasta este o imagine a telescopului spațial Hubble a celui mai mare grup de galaxii văzut vreodată când universul avea jumătate din vârsta sa actuală de 13,8 miliarde de ani. Clusterul conține câteva sute de galaxii care se adună sub influența gravitației colective. Masa totală a clusterului, așa cum a fost rafinată în noile măsurători Hubble, este estimată că cântărește până la 3 milioane de miliarde de stele precum Soarele nostru (de aproximativ 3.000 de ori mai mare decât galaxia noastră, Calea Lactee), deși cea mai mare parte a masei este ascunsă. Cataplasmă întunecată. Materia întunecată este situată în suprapunerea albastră. Deoarece materia întunecată nu emite radiații, astronomii Hubble au măsurat cu atenție modul în care gravitația sa distorsionează imaginile galaxiilor de fundal îndepărtate ca o oglindă de distracție. Acest lucru le-a permis să vină cu o estimare cuprinzătoare a masei. Clusterul a fost numit El Gordo (în spaniolă pentru „cel gras”) în 2012, când observațiile cu raze X și studiile cinematice au indicat pentru prima dată că era neobișnuit de masiv pentru perioada din universul timpuriu când exista. Datele Hubble au confirmat că clusterul trece printr-o fuziune violentă între două clustere mai mici. Sursa imagine: NASA, ESA și J. Jee (Universitatea din California, Davis)

Interesant este că știm că s-a format superclusterul El Gordo (vezi imaginea de mai sus). Prea devreme În istoria cosmică, are o masă și o viteză de coliziune atât de mari încât nu se potrivește cu modelul standard. Aceasta este o dovadă suplimentară că structura se formează foarte lent în acest model.

Deoarece gravitația este forța dominantă pe o scară atât de mare, probabil că trebuie să extindem teoria gravitației lui Einstein, relativitatea generală – dar numai la scară. Mai mare de un milion de ani lumină.

Cu toate acestea, nu avem o modalitate bună de a măsura modul în care gravitația se comportă la scari mult mai mari, deoarece nu există obiecte legate gravitațional atât de mari. Putem presupune că relativitatea generală rămâne valabilă și o comparăm cu observațiile, dar tocmai această abordare duce la tensiunile extreme cu care se confruntă în prezent cel mai bun model al nostru de cosmologie.

Se crede că Einstein a spus că nu putem rezolva problemele cu aceeași gândire care a dus la probleme în primul rând. Chiar dacă schimbările necesare nu sunt radicale, am putea vedea primele dovezi de încredere în mai mult de un secol că trebuie să ne schimbăm teoria gravitației.

Scris de Indranil Panik, cercetător postdoctoral în astrofizică, Universitatea St Andrews.

Adaptat după un articol publicat inițial în Conversaţie.