Разделяет ли Вселенную гигантский вакуум?

Космологи предлагают гигантский космический вакуум в качестве решения «напряжения Хаббла», бросая вызов традиционным моделям и предлагая пересмотр теории гравитации Эйнштейна.

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 за остаточным светом. великий взрыв – Так называемый космический микроволновый фон (СМБ).

Расширение Вселенной заставляет галактики отдаляться друг от друга. Чем дальше они от нас, тем быстрее они движутся. Взаимосвязь 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 Вы набираете около 50 000 миль в час. На каждый миллион световых лет от нас.

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.

Художественное изображение гигантской пустоты, а также окружающих ее струн и стен. Фото: Пабло Карлос Будаси.

В нашем Новая бумагаМы 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 могут возникнуть, 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, то есть не совсем пустая.

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 времена.

Для этого у нас есть модель Она включала не ΛCDM, а альтернативную теорию, называемую модифицированной ньютоновской динамикой (Монд).

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 законом гравитации Ньютона, который нарушается, когда сила гравитации слишком слаба — например, во внешних регионах 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.

Колебания температуры реликтового излучения: Подробное изображение всего неба зарождающейся Вселенной, созданное на основе данных WMAP за девять лет, показывающих колебания температуры возрастом 13,77 миллиарда лет (показано в цветовых вариациях). Фото: Научная группа НАСА/WMAP.

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 полагают, что эту проблему можно решить, если предположить, что высокая скорость расширения, которую мы также измеряем 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.

Это изображение самого большого скопления галактик, которое когда-либо наблюдалось, когда Вселенная была вдвое моложе своего нынешнего возраста (13,8 миллиарда лет), полученного космическим телескопом Хаббл. Скопление содержит несколько сотен галактик, которые собираются под действием коллективной гравитации. Общая масса скопления, уточненная в новых измерениях Хаббла, оценивается в 3 миллиона миллиардов звезд, подобных нашему Солнцу (примерно в 3000 раз больше, чем наша Галактика Млечный Путь), хотя большая часть массы скрыта. Темный припарка. Темная материя расположена в синем слое. Поскольку темная материя не излучает радиации, астрономы Хаббла тщательно измерили, как ее гравитация искажает изображения далеких фоновых галактик, словно зеркало в доме смеха. Это позволило им получить исчерпывающую оценку массы. Скопление было названо Эль-Гордо (по-испански «толстый») в 2012 году, когда рентгеновские наблюдения и кинематические исследования впервые показали, что оно было необычно массивным для того времени в ранней Вселенной, когда оно существовало. Данные Хаббла подтвердили, что скопление переживает насильственное слияние двух меньших скоплений. Источник изображения: НАСА, ЕКА и Дж. Джи (Калифорнийский университет, Дэвис)

Интересно, что мы знаем, что сформировалось сверхскопление Эль-Гордо (см. изображение выше). 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 данной модели структура формируется очень медленно.

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

Однако у нас нет хорошего способа измерить, как гравитация ведет себя 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.

Написано Индранилом Паником, научным сотрудником по астрофизике, Университет Сент-Эндрюс.

Адаптировано из статьи, первоначально опубликованной в Беседа.