Kozmológovia navrhujú obrovské vákuum vesmíru ako riešenie „Hubbleovho napätia“, spochybňujúc tradičné modely a navrhujú revíziu Einsteinovej teórie gravitácie.

Jednou z najväčších záhad kozmológie je rýchlosť rozpínania vesmíru. Dá sa to predpovedať pomocou štandardného modelu kozmológie, známeho aj ako Lambda studená tmavá hmota (ΛCDM). Tento model je založený na podrobných pozorovaniach zvyškového svetla veľký výbuch – takzvané kozmické mikrovlnné pozadie (CMB).

Rozpínanie vesmíru spôsobuje, že sa galaxie od seba vzďaľujú. Čím sú od nás ďalej, tým rýchlejšie sa pohybujú. Vzťah medzi galaktickou rýchlosťou a vzdialenosťou je riadený „Hubbleovou konštantou“, ktorá je asi 43 míľ (70 km) za sekundu na megaparsek (jednotka dĺžky v astronómii). To znamená, že galaxia Získate približne 50 000 míľ za hodinu Na každý milión svetelných rokov od nás.

Nanešťastie pre štandardný model bola táto hodnota nedávno spochybnená, čo viedlo k tomu, čo vedci nazývajú „Hubbleovo napätie.“ Keď meriame rýchlosť expanzie pomocou blízkych galaxií a supernov (explodujúcich hviezd), je o 10% väčšia, ako keď sme ju predpovedali na základe CMB.

Umelecké stvárnenie obrovskej prázdnoty a strún a stien, ktoré ju obklopujú. Poďakovanie: Pablo Carlos Budasi

V našom Nový papierPonúkame jedno možné vysvetlenie: že žijeme v obrovskom vesmírnom vákuu (oblasť s nižšou ako priemernou hustotou). Ukázali sme, že to môže viesť k tomu, že lokálne merania budú zosilnené tokmi hmoty z dutiny. Výtoky môžu nastať, keď hustejšie oblasti obklopujúce vákuum ho od seba odtrhnú, pričom vyvíjajú väčšiu príťažlivú silu ako hmota s nižšou hustotou vo vákuu.

V tomto scenári by sme potrebovali byť blízko stredu vákua s polomerom asi miliardy svetelných rokov a hustotou asi o 20 % nižšou ako priemerný vesmír ako celok, teda nie úplne prázdny.

Takáto veľká a hlboká medzera je v štandardnom modeli neočakávaná – a preto kontroverzná. CMB poskytuje snímku štruktúry rodiaceho sa vesmíru, čo naznačuje, že dnešná hmota musí byť pomerne rovnomerne rozložená. Počet galaxií v rôznych oblastiach sa však vypočítava priamo Už je to navrhnuté Sme v miestnom vákuu.

Úprava zákonov gravitácie

Chceli sme túto myšlienku ďalej otestovať porovnávaním niekoľkých rôznych kozmologických pozorovaní za predpokladu, že žijeme vo veľkom vákuu, ktoré vzniklo z malých fluktuácií hustoty v raných dobách.

Aby sme to dosiahli, máme Model Nezahŕňala ΛCDM, ale alternatívnu teóriu nazývanú modifikovaná newtonovská dynamika (Mond).

MOND bol pôvodne navrhnutý na vysvetlenie anomálií v rýchlosti rotácie galaxií, čo viedlo k predpokladu existencie neviditeľnej látky nazývanej „temná hmota“. MOND namiesto toho navrhuje, že tieto anomálie možno vysvetliť Newtonovým gravitačným zákonom, ktorý sa rozpadne, keď je sila gravitácie príliš slabá – ako napríklad vo vonkajších oblastiach galaxií.

Celková história kozmickej expanzie v MOND bude podobná štandardnému modelu, ale štruktúra (ako napríklad kopy galaxií) bude v MOND rásť rýchlejšie. Náš model zachytáva, ako by mohol vyzerať lokálny vesmír vo vesmíre MOND. Zistili sme, že to umožní, aby miestne merania dnešnej rýchlosti expanzie kolísali v závislosti od našej polohy.

Kolísanie teploty CMB: Detailný celooblohový obraz rodiaceho sa vesmíru vytvorený z deviatich rokov údajov WMAP, ktorý odhaľuje teplotné výkyvy staré až 13,77 miliardy rokov (zobrazené vo farebných variáciách). Poďakovanie: Vedecký tím NASA/WMAP

Nedávne pozorovania galaxií umožnili zásadný nový test nášho modelu na základe rýchlosti, ktorú predpovedá na rôznych miestach. To sa dá dosiahnuť meraním toho, čo sa nazýva objemový tok, čo je priemerná rýchlosť materiálu v danej guli, či už je hustá alebo nie. To sa mení s polomerom lopty, s Záverečné poznámky ponuka pokračuje Na miliardu svetelných rokov.

Je zaujímavé, že masívny tok galaxií v tomto rozsahu štvornásobne zvýšil rýchlosť očakávanú v štandardnom modeli. Zdá sa tiež, že rastú s veľkosťou uvažovaného regiónu, na rozdiel od toho, čo predpovedá štandardný model. Pravdepodobnosť, že je to v súlade so štandardným modelom, je menšia ako jedna k miliónu.

To nás podnietilo zistiť, čo naša štúdia hromadného toku predpovedala. Zistili sme, že produkuje veľmi dobre zápas K poznámkam. To si vyžaduje, aby sme boli pomerne blízko stredu vákua a aby bolo vákuum vo svojom strede prázdnejšie.

Prípad uzavretý?

Naše výsledky prichádzajú v čase, keď bežné riešenia Hubbleovho tenzora narážajú na problémy. Niektorí si myslia, že potrebujeme presnejšie merania. Iní veria, že sa to dá vyriešiť predpokladom vysokej miery expanzie, ktorú meriame aj lokálne Vlastne správne. To si však vyžaduje miernu úpravu v histórii expanzie raného vesmíru, aby CMB stále vyzerala správne.

Bohužiaľ, jedna vplyvná recenzia vyzdvihuje sedem problémy S týmto prístupom. Ak by sa vesmír počas veľkej väčšiny kozmickej histórie rozpínal o 10 % rýchlejšie, bol by tiež o 10 % mladší – čo je v rozpore s prevládajúcou teóriou. Vek Jedna z najstarších hviezd.

Prítomnosť hlbokej, rozšírenej lokálnej prázdnoty v populáciách galaxií a pozorované rýchle veľké odtoky silne naznačujú, že štruktúra rastie rýchlejšie, ako sa očakávalo v ΛCDM v mierkach medzi desiatkami a stovkami miliónov svetelných rokov.

Toto je snímka z Hubbleovho vesmírneho teleskopu, ktorá zachytáva najväčšiu kopu galaxií, aká kedy bola videná, keď mal vesmír polovicu svojho súčasného veku 13,8 miliardy rokov. Kopa obsahuje niekoľko stoviek galaxií, ktoré sa zhromažďujú pod vplyvom kolektívnej gravitácie. Celková hmotnosť hviezdokopy, spresnená v nových meraniach pomocou Hubbleovho teleskopu, sa odhaduje na 3 milióny miliárd hviezd ako naše Slnko (asi 3000-krát väčšie ako naša Galaxia Mliečna dráha) – hoci väčšina hmoty je skrytá. Tmavý obklad. Tmavá hmota sa nachádza v modrom prekrytí. Keďže temná hmota nevyžaruje žiadne žiarenie, astronómovia z Hubbleovho teleskopu starostlivo zmerali, ako jej gravitácia skresľuje obrazy vzdialených galaxií v pozadí ako zrkadlo v zábavnom dome. To im umožnilo prísť s komplexným odhadom hmotnosti. Zhluk dostal názov El Gordo (v španielčine „ten tučný“) v roku 2012, keď röntgenové pozorovania a kinematické štúdie prvýkrát naznačili, že je na dobu v ranom vesmíre, keď existoval, nezvyčajne masívny. Údaje z Hubbleovho teleskopu potvrdili, že hviezdokopa prechádza násilným zlúčením dvoch menších zhlukov. Zdroj obrázkov: NASA, ESA a J. Jee (University of California, Davis)

Je zaujímavé, že vieme, že sa vytvorila superkopa El Gordo (pozri obrázok vyššie). Príliš skoro V kozmickej histórii má hmotnosť a rýchlosť kolízie takú vysokú, že sa nehodí na štandardný model. To je ďalší dôkaz, že štruktúra sa v tomto modeli formuje veľmi pomaly.

Keďže gravitácia je dominantnou silou v takýchto veľkých mierkach, pravdepodobne budeme musieť rozšíriť Einsteinovu teóriu gravitácie, všeobecnú teóriu relativity – ale len na mierkach. Väčšie ako milión svetelných rokov.

Nemáme však dobrý spôsob, ako zmerať, ako sa gravitácia správa v oveľa väčších mierkach, pretože neexistujú žiadne tak veľké gravitačne viazané objekty. Môžeme predpokladať, že všeobecná relativita zostáva platná a porovnávať ju s pozorovaniami, ale je to práve tento prístup, ktorý vedie k extrémnym napätiam, ktorým v súčasnosti čelí náš najlepší model kozmológie.

Verí sa, že Einstein povedal, že nemôžeme riešiť problémy s rovnakým myslením, ktoré viedlo k problémom v prvom rade. Aj keď požadované zmeny nie sú radikálne, mohli by sme byť svedkami prvého spoľahlivého dôkazu za viac ako storočie, že musíme zmeniť našu teóriu gravitácie.

Napísal Indranil Panik, postdoktorandský výskumný pracovník v astrofyzike, University of St Andrews.

Upravené z článku pôvodne publikovaného v Konverzácia.