Rozděluje obří vakuum vesmír?

Kosmologové navrhují obří vakuum vesmíru jako řešení „Hubbleova napětí“, zpochybňují tradiční modely a navrhují revizi Einsteinovy ​​teorie gravitace.

Jednou z největších záhad v kosmologii je rychlost rozpínání vesmíru. To lze předpovědět pomocí standardního modelu kosmologie, známého také jako Lambda studená temná hmota (ΛCDM). Tento model je založen na detailním pozorování zbytkového světla velký výbuch – takzvané kosmické mikrovlnné pozadí (CMB).

Expanze vesmíru způsobuje, že se galaxie od sebe vzdalují. Čím dále jsou od nás, tím rychleji se pohybují. Vztah mezi galaktickou rychlostí a vzdáleností se řídí „Hubbleovou konstantou“, což je asi 43 mil (70 km) za sekundu na megaparsek (jednotka délky v astronomii). To znamená, že galaxie Získáte asi 50 000 mil za hodinu Na každý milion světelných let od nás.

Bohužel pro standardní model byla tato hodnota nedávno zpochybněna, což vedlo k tomu, co vědci nazývají „Hubbleovo napětí.“ Když měříme rychlost expanze pomocí blízkých galaxií a supernov (explodujících hvězd), je o 10 % vyšší, než když jsme ji předpovídali na základě CMB.

Umělecké ztvárnění obří prázdnoty a provázků a stěn, které ji obklopují. Kredit: Pablo Carlos Budasi

V našem Nový papírNabízíme jedno možné vysvětlení: že žijeme v obřím vesmírném vakuu (oblast s nižší než průměrnou hustotou). Ukázali jsme, že to může vést k tomu, že místní měření budou zesílena toky hmoty z prázdnoty. Výtoky mohou vznikat, když hustší oblasti obklopující vakuum oddělují vakuum a vyvíjejí tak větší přitažlivou sílu než hmota s nižší hustotou ve vakuu.

V tomto scénáři bychom potřebovali být blízko středu vakua s poloměrem asi miliardy světelných let a hustotou asi o 20 % nižší než průměrný vesmír jako celek, tedy ne zcela prázdný.

Tak velká a hluboká prázdnota je u standardního modelu neočekávaná – a proto kontroverzní. CMB poskytuje snímek struktury rodícího se vesmíru, což naznačuje, že dnešní hmota musí být poměrně rovnoměrně rozprostřena. Počet galaxií v různých oblastech se však počítá přímo Je to již navrženo Jsme v místním vakuu.

Úprava zákonů gravitace

Chtěli jsme tuto myšlenku dále otestovat porovnáním několika různých kosmologických pozorování za předpokladu, že žijeme ve velkém vakuu, které vzniklo z malých fluktuací hustoty v raných epochách.

K tomu máme Modelka Nezahrnovala ΛCDM, ale alternativní teorii zvanou modifikovaná newtonovská dynamika (Mond).

MOND byl původně navržen k vysvětlení anomálií v rychlostech rotace galaxií, což vedlo k domněnce o existenci neviditelné látky zvané „temná hmota“. MOND místo toho navrhuje, že tyto anomálie lze vysvětlit Newtonovým gravitačním zákonem, který se porouchá, když je gravitační síla příliš slabá – jako například ve vnějších oblastech galaxií.

Celková historie expanze vesmíru v MOND bude podobná standardnímu modelu, ale struktura (jako kupy galaxií) poroste v MONDu rychleji. Náš model zachycuje, jak by mohl vypadat místní vesmír ve vesmíru MOND. Zjistili jsme, že to umožní, aby místní měření dnešní rychlosti expanze kolísala v závislosti na naší poloze.

Kolísání teploty CMB: Detailní celooblohový snímek rodícího se vesmíru vytvořený z devíti let dat WMAP odhalující teplotní výkyvy staré až 13,77 miliardy let (zobrazeno v barevných variacích). Poděkování: Vědecký tým NASA/WMAP

Nedávná pozorování galaxií umožnila zásadní nový test našeho modelu na základě rychlosti, kterou předpovídá na různých místech. To lze provést měřením takzvaného objemového toku, což je průměrná rychlost materiálu v dané kouli, ať už je hustá nebo ne. To se mění s poloměrem míče, s Závěrečné poznámky nabídka pokračuje Na miliardu světelných let.

Zajímavé je, že masivní tok galaxií v tomto měřítku čtyřnásobně zvýšil rychlost očekávanou ve standardním modelu. Zdá se také, že se zvyšují s velikostí uvažovaného regionu, v rozporu s tím, co předpovídá standardní model. Pravděpodobnost, že je to v souladu se Standardním modelem, je menší než jedna ku milionu.

To nás přimělo zjistit, co naše studie objemového toku předpovídala. Zjistili jsme, že produkuje velmi dobře zápas K poznámkám. To vyžaduje, abychom byli poměrně blízko středu vakua a aby vakuum bylo ve svém středu prázdnější.

Případ uzavřen?

Naše výsledky přicházejí v době, kdy běžná řešení Hubbleova tenzoru narážejí na potíže. Někteří si myslí, že potřebujeme přesnější měření. Jiní věří, že to lze vyřešit za předpokladu vysoké míry expanze, kterou měříme také lokálně Vlastně správně. Ale to vyžaduje mírnou úpravu v historii expanze raného vesmíru, aby CMB stále vypadala správně.

Bohužel jedna vlivná recenze vyzdvihuje sedm problémy S tímto přístupem. Pokud by se vesmír během velké většiny kosmické historie rozpínal o 10 % rychleji, byl by také asi o 10 % mladší – což je v rozporu s převažující teorií. Věk Jedna z nejstarších hvězd.

Přítomnost hluboké, rozšířené lokální prázdnoty v populacích galaxií a pozorované rychlé velké odlivy silně naznačují, že struktura roste rychleji, než se očekávalo v ΛCDM v měřítku mezi desítkami a stovkami milionů světelných let.

Toto je snímek největší kupy galaxií z Hubbleova vesmírného dalekohledu, která byla kdy spatřena, když byl vesmír poloviční oproti současnému stáří 13,8 miliardy let. Kupa obsahuje několik stovek galaxií, které se shromažďují pod vlivem kolektivní gravitace. Celková hmotnost kupy, jak byla upřesněna v nových měřeních pomocí Hubblea, se odhaduje na 3 miliony miliard hvězd, jako je naše Slunce (asi 3000krát větší než naše Galaxie Mléčná dráha) – ačkoli většina hmoty je skryta. Tmavý obklad. Tmavá hmota se nachází v modrém překrytí. Protože temná hmota nevyzařuje žádné záření, astronomové z HST místo toho pečlivě měřili, jak její gravitace zkresluje obrazy vzdálených galaxií v pozadí jako zrcadlo funhouse. To jim umožnilo přijít s komplexním odhadem hmotnosti. Hvězdokupa byla pojmenována El Gordo (španělsky „ten tlustý“) v roce 2012, kdy rentgenová pozorování a kinematické studie poprvé ukázaly, že byla na dobu v raném vesmíru, kdy existovala, neobvykle masivní. Data z HST potvrdila, že kupa prochází násilným sloučením dvou menších kup. Zdroj obrázků: NASA, ESA a J. Jee (University of California, Davis)

Je zajímavé, že víme, že se vytvořila superkupa El Gordo (viz obrázek výše). Příliš brzy V kosmické historii má hmotnost a srážkovou rychlost tak vysokou, že neodpovídá standardnímu modelu. To je další důkaz, že struktura se v tomto modelu tvoří velmi pomalu.

Vzhledem k tomu, že gravitace je dominantní silou na tak velkých měřítcích, pravděpodobně budeme muset rozšířit Einsteinovu teorii gravitace, obecnou relativitu – ale pouze na měřítkách. Větší než milion světelných let.

Nemáme však žádný dobrý způsob, jak změřit, jak se gravitace chová v mnohem větších měřítcích, protože neexistují žádné tak velké gravitačně vázané objekty. Můžeme předpokládat, že obecná teorie relativity zůstává v platnosti a srovnávat ji s pozorováními, ale je to právě tento přístup, který vede k extrémnímu napětí, kterému v současnosti čelí náš nejlepší model kosmologie.

Předpokládá se, že Einstein řekl, že nemůžeme řešit problémy stejným myšlením, které k problémům vedlo na prvním místě. I když požadované změny nejsou radikální, můžeme být svědky prvního spolehlivého důkazu po více než století, že potřebujeme změnit naši teorii gravitace.

Napsal Indranil Panik, postdoktorandský vědecký pracovník v astrofyzice, University of St Andrews.

Převzato z článku původně publikovaného v Konverzace.