Óriási vákuum osztja ketté az univerzumot?

A kozmológusok egy óriási űrvákuumot javasolnak a „Hubble-feszültség” megoldásaként, megkérdőjelezve a hagyományos modelleket, és Einstein gravitációs elméletének felülvizsgálatát javasolják.

A kozmológia egyik legnagyobb rejtélye az univerzum tágulási sebessége. Ez megjósolható a Standard Model of Cosmology segítségével, más néven Lambda hideg sötét anyag (ΛCDM). Ez a modell a maradék fény részletes megfigyelésén alapul a nagy robbanás – Az úgynevezett kozmikus mikrohullámú háttér (CMB).

Az univerzum tágulása miatt a galaxisok eltávolodnak egymástól. Minél távolabb vannak tőlünk, annál gyorsabban mozognak. A galaktikus sebesség és a távolság közötti összefüggést a „Hubble-állandó” szabályozza, amely körülbelül 43 mérföld (70 km) másodpercenként megaparszekonként (a csillagászatban hosszegység). Ez azt jelenti, hogy a galaxis Körülbelül 50 000 mérföldet nyersz óránként Minden tőlünk távolabbi millió fényévre.

Sajnos a standard modell esetében ezt az értéket a közelmúltban vitatták, ami ahhoz vezetett, hogy a tudósok a – Hubble feszültség. Ha a közeli galaxisok és szupernóvák (robbanó csillagok) segítségével mérjük a tágulási sebességet, az 10%-kal nagyobb, mint amikor a CMB alapján megjósoltuk.

Az óriási üresség és az azt körülvevő húrok és falak művészi megjelenítése. Kredit: Pablo Carlos Budasi

Miénkben Új lapEgy lehetséges magyarázatot kínálunk: az űr óriási vákuumában élünk (az átlagosnál kisebb sűrűségű régióban). Kimutattuk, hogy ez oda vezethet, hogy a helyi méréseket az üregből származó anyagáramok felerősítik. Kiáramlások keletkezhetnek, amikor a vákuumot körülvevő sűrűbb területek széthúzzák, nagyobb vonzóerőt fejtve ki, mint a vákuumban lévő kisebb sűrűségű anyag.

Ebben a forgatókönyvben egy körülbelül egymilliárd fényév sugarú vákuum középpontjának közelében kellene lennünk, és amelynek sűrűsége körülbelül 20%-kal kisebb, mint az átlagos univerzum egésze, vagyis nem teljesen üres.

Egy ilyen nagy és mély űr váratlan a Standard Modellben – ezért ellentmondásos. A CMB pillanatképet ad a születőben lévő univerzum szerkezetéről, ami azt sugallja, hogy az anyagnak ma meglehetősen egyenletesen kell eloszlatnia. A galaxisok számát azonban a különböző régiókban közvetlenül számítják ki Már javasolták Helyi légüres térben vagyunk.

A gravitáció törvényeinek módosítása

Ezt az elképzelést tovább akartuk tesztelni több különböző kozmológiai megfigyelés párosításával, feltételezve, hogy nagy vákuumban élünk, amely a korai időkben kis sűrűség-ingadozásokból eredt.

Ehhez megvan modell Nem tartalmazta a ΛCDM-et, hanem egy alternatív elméletet, az úgynevezett módosított newtoni dinamikát (Mond).

A MOND-ot eredetileg a galaxisok forgási sebességének anomáliáinak magyarázatára javasolták, ami egy láthatatlan anyag, az úgynevezett „sötét anyag” létezésének feltételezéséhez vezetett. MOND ehelyett azt sugallja, hogy ezek az anomáliák Newton gravitációs törvényével magyarázhatók, amely felbomlik, ha a gravitációs erő túl gyenge – például a galaxisok külső tartományaiban.

A MOND általános kozmikus tágulási története hasonló lesz a Standard Modelléhez, de a szerkezet (például a galaxishalmazok) gyorsabban fog növekedni a MOND-ban. Modellünk megörökíti, hogyan nézhet ki a helyi univerzum a MOND univerzumban. Azt találtuk, hogy ez lehetővé tenné, hogy a mai terjeszkedési ütem helyi mérései helyünktől függően ingadozhassanak.

CMB hőmérséklet-ingadozások: A születőben lévő univerzum részletes, teljes égbolt képe, amelyet kilenc év WMAP-adataiból készítettek, és 13,77 milliárd éves hőmérséklet-ingadozásokat tárnak fel (színváltozatokban). Köszönetnyilvánítás: NASA/WMAP Science Team

A közelmúlt galaxismegfigyelései lehetővé tették modellünk döntő fontosságú új tesztelését a különböző helyeken előrejelzett sebesség alapján. Ezt úgy tehetjük meg, hogy megmérjük az úgynevezett ömlesztett áramlást, ami az anyag átlagos sebessége egy adott golyóban, akár sűrű, akár nem. Ez a labda sugarától függően változik Végső megjegyzések egy ajánlat Folytatódik Egymilliárd fényévre.

Érdekes módon a galaxisok tömeges áramlása ebben a léptékben megnégyszerezi a Standard Modellben várt sebességet. Úgy tűnik, hogy a szóban forgó régió méretével együtt növekednek, ellentétben azzal, amit a Standard Modell előrevetít. Annak a valószínűsége, hogy ez összhangban van a standard modellel, kisebb, mint egy a millióhoz.

Ez arra késztetett bennünket, hogy lássuk, mit jósol a tömegáramlásról szóló tanulmányunk. Megállapítottuk, hogy nagyon jót produkál mérkőzés A jegyzetekhez. Ehhez elég közel kell lennünk a vákuum középpontjához, és a vákuumnak a középpontjában üresebbnek kell lennie.

Ügy lezárva?

Eredményeink akkor születnek, amikor a Hubble tenzor általános megoldásai gondokba ütköznek. Egyesek szerint csak pontosabb mérésekre van szükségünk. Mások úgy vélik, hogy ez megoldható, ha feltételezzük az általunk lokálisan is mért magas bővülési ütemet Valójában helyes. Ehhez azonban egy kis módosításra van szükség a korai univerzum tágulási történetében, hogy a CMB továbbra is helyesen nézzen ki.

Sajnos az egyik befolyásos áttekintés hetet emel ki problémákat Ezzel a megközelítéssel. Ha az univerzum 10%-kal gyorsabban tágulna a kozmikus történelem túlnyomó többsége során, akkor körülbelül 10%-kal fiatalabb is lenne – ami ellentmond az uralkodó elméletnek. Korok Az egyik legrégebbi sztár.

A mély, kiterjedt lokális üreg jelenléte a galaxispopulációkban és a megfigyelt gyors nagy kiáramlások erősen arra utalnak, hogy a szerkezet a vártnál gyorsabban növekszik a ΛCDM-ben tíz- és százmillió fényév közötti léptékben.

Ez a Hubble Űrteleszkóp felvétele a valaha látott legnagyobb galaxishalmazról, amikor a világegyetem fele volt a jelenlegi 13,8 milliárd éves korának. A halmaz több száz galaxist tartalmaz, amelyek a kollektív gravitáció hatására gyűlnek össze. A halmaz össztömege az új Hubble-mérések alapján a becslések szerint 3 millió milliárd olyan csillagot nyom, mint a mi Napunk (körülbelül 3000-szer nagyobb, mint Tejút-galaxisunk), bár a tömeg nagy része rejtve van. Sötét borogatás. A sötét anyag a kék fedőrétegben található. Mivel a sötét anyag nem bocsát ki sugárzást, a Hubble csillagászai gondosan megmérték, hogy gravitációja hogyan torzítja el a távoli háttérgalaxisok képeit, mint egy mókatükör. Ez lehetővé tette számukra, hogy átfogó becslést készítsenek a tömegről. A halmazt 2012-ben elnevezték El Gordo-nak (spanyolul „a kövér”), amikor röntgen-megfigyelések és kinematikai vizsgálatok először mutatták ki, hogy szokatlanul nagy tömegű volt a korai univerzum létezésének idején. A Hubble adatai megerősítették, hogy a klaszter két kisebb klaszter erőszakos egyesülésén megy keresztül. A kép forrása: NASA, ESA és J. Jee (Kaliforniai Egyetem, Davis)

Érdekes módon tudjuk, hogy kialakult az El Gordo szuperhalmaz (lásd a fenti képet). Túl korán A kozmikus történelemben olyan nagy a tömege és az ütközési sebessége, hogy nem illik a standard modellhez. Ez további bizonyíték arra, hogy a szerkezet nagyon lassan alakul ki ebben a modellben.

Mivel ilyen nagy léptékeken a gravitáció a domináns erő, valószínűleg ki kell terjesztenünk Einstein gravitációs elméletét, az általános relativitáselméletet – de csak a skálákra. Nagyobb, mint egymillió fényév.

Azonban nincs jó módszerünk arra, hogy megmérjük, hogyan viselkedik a gravitáció sokkal nagyobb léptékeken, mivel nincsenek ekkora gravitációs kötött objektumok. Feltételezhetjük, hogy az általános relativitáselmélet érvényes marad, és összehasonlíthatjuk a megfigyelésekkel, de éppen ez a megközelítés vezet azokhoz a szélsőséges feszültségekhez, amelyekkel a legjobb kozmológiai modellünk jelenleg szembesül.

Úgy tartják, Einstein azt mondta, hogy nem tudjuk megoldani a problémákat ugyanazzal a gondolkodásmóddal, amely a problémákhoz vezetett. Még ha a szükséges változtatások nem is radikálisak, több mint egy évszázad óta láthatjuk az első megbízható bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy meg kell változtatnunk a gravitációelméletünket.

Írta: Indranil Panik, az asztrofizika posztdoktori kutatója, a St Andrews-i Egyetem.

Egy eredetileg ben megjelent cikkből készült Beszélgetés.