Живем ли мы в гигантском вакууме? Исследования показывают, что это может раскрыть тайну расширения Вселенной

Одна из самых больших загадок космологии — скорость расширения Вселенной. Это можно предсказать, используя Стандартную модель космологии, также известную как Лямбда-холодная темная материя (ΛCDM). Эта модель основана на детальных наблюдениях остатков света от Большого взрыва, так называемого космического микроволнового фона (CMB).

Расширение Вселенной заставляет галактики отдаляться друг от друга. Чем дальше они от нас, тем быстрее они движутся. Связь между галактической скоростью и расстоянием определяется постоянной Хаббла, которая составляет около 43 миль (70 км) в секунду на мегапарсек (единица длины в астрономии). Это означает, что галактика набирает скорость около 50 000 миль в час на каждый миллион световых лет, удаляясь от нее.

К несчастью для Стандартной модели, это значение недавно было оспорено, что привело к тому, что ученые называют Напряжение Хаббла. Когда мы измеряем скорость расширения, используя близлежащие галактики и сверхновые (взрывающиеся звезды), она на 10% больше, чем когда мы предсказывали ее на основе реликтового излучения.

В нашем Новая бумага Опубликовано в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического обществаМы предлагаем одно из возможных объяснений: мы живем в гигантском космическом вакууме (области с плотностью ниже средней). Мы показали, что это может привести к усилению локальных измерений потоками вещества из пустоты. Оттоки возникают, когда более плотные области, окружающие вакуум, разрывают его, оказывая большую силу притяжения, чем вещество с меньшей плотностью внутри вакуума.

В этом сценарии нам нужно было бы находиться вблизи центра вакуума с радиусом около миллиарда световых лет и плотностью примерно на 20% ниже, чем средняя Вселенная в целом, т.е. не совсем пустой.

Такая большая и глубокая пустота является неожиданной для Стандартной модели и, следовательно, противоречивой. Реликтовое излучение дает представление о структуре зарождающейся Вселенной, предполагая, что сегодня материя должна быть распределена довольно равномерно. Однако количество галактик в разных регионах рассчитывается напрямую. Это уже предложено Мы находимся в локальном вакууме.

Изменение законов гравитации

Мы хотели проверить эту идею дальше, сопоставив несколько различных космологических наблюдений, предположив, что мы живем в большом вакууме, возникшем в результате небольших флуктуаций плотности в ранние эпохи.

Для этого у нас есть модель Она включала не ΛCDM, а альтернативную теорию под названием «Модифицированная ньютоновская динамика» (MOND).

Изначально МОНД было предложено объяснить аномалии скоростей вращения галактик, что привело к предположению о существовании невидимой субстанции под названием «темная материя». Вместо этого МОНД предполагает, что эти аномалии можно объяснить нарушением закона гравитации Ньютона, когда сила гравитации очень слаба, например, во внешних областях галактик.

Общая история космического расширения в MOND будет аналогична Стандартной модели, но структура (например, скопления галактик) в MOND будет расти быстрее. Наша модель отражает то, как могла бы выглядеть локальная вселенная во вселенной MOND. Мы обнаружили, что это позволит местным измерениям сегодняшней скорости расширения колебаться в зависимости от нашего местоположения.

Недавние наблюдения за галактиками позволили провести новую решающую проверку нашей модели, основанную на скорости, которую она предсказывает в различных местах. Это можно сделать путем измерения так называемого объемного потока, то есть средней скорости материала в данном шаре, независимо от того, плотный он или нет. Это зависит от радиуса шара, т.е. Заключительные замечания Предложение Это продолжается До миллиарда световых лет.

Интересно, что массивный поток галактик такого масштаба в четыре раза увеличил скорость, ожидаемую в Стандартной модели. Они также, по-видимому, увеличиваются с размером рассматриваемого региона, вопреки предсказаниям Стандартной модели. Вероятность того, что это соответствует Стандартной модели, составляет менее одного на миллион.

Это побудило нас посмотреть, что предсказало наше исследование объемного потока. Мы обнаружили, что он производит очень хорошие соответствовать К заметкам. Для этого необходимо, чтобы мы находились достаточно близко к центру вакуума и чтобы вакуум был более пустым в центре.

Дело закрыто?

Наши результаты получены в то время, когда обычные решения тензора Хаббла сталкиваются с проблемами. Некоторые думают, что нам просто нужны более точные измерения. Другие считают, что эту проблему можно решить, если предположить, что высокая скорость расширения, которую мы измеряем и на местном уровне. На самом деле правильно. Но для того, чтобы реликтовое излучение по-прежнему выглядело корректно, требуется небольшая корректировка в истории расширения ранней Вселенной.

К сожалению, один влиятельный обзор выделяет семь проблемы С таким подходом. Если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее на протяжении большей части космической истории, она также была бы примерно на 10% моложе, что противоречит преобладающей теории. Возраст Одна из старейших звезд.

Наличие глубокой, обширной локальной войды в популяциях галактик и наблюдаемые быстрые и крупные истечения убедительно свидетельствуют о том, что структура в ΛCDM растет быстрее, чем ожидалось, в масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.

Интересно, что мы знаем, что массивное скопление галактик Эль Гордо сформированный Слишком рано В космической истории его масса и скорость столкновения настолько высоки, что он не соответствует Стандартной модели. Это еще одно свидетельство того, что в этой модели структура формируется очень медленно.

Поскольку гравитация является доминирующей силой в таких больших масштабах, нам, вероятно, придется расширить теорию гравитации Эйнштейна и общую теорию относительности, но только в масштабах. Размером более миллиона световых лет.

Однако у нас нет хорошего способа измерить поведение гравитации в гораздо больших масштабах, поскольку не существует гравитационно связанных объектов такого размера. Мы можем предположить, что общая теория относительности остается верной, и сравнить ее с наблюдениями, но именно этот подход приводит к крайней напряженности, с которой в настоящее время сталкивается наша лучшая модель космологии.

Считается, что Эйнштейн сказал, что мы не можем решать проблемы, используя то же мышление, которое изначально привело к возникновению проблем. Даже если требуемые изменения не будут радикальными, мы можем увидеть первые за более чем столетие надежные доказательства того, что нам необходимо изменить нашу теорию гравитации.