Trhá vesmír na kusy obrovská prázdnota?

Kozmológovia navrhujú obrovskú prázdnotu vo vesmíre ako riešenie „Hubbleovho napätia“, čím spochybňujú tradičné modely a navrhujú modifikáciu Einsteinovej teórie gravitácie.

Jednou z najväčších záhad kozmológie je rýchlosť, akou sa vesmír rozpína. Dá sa predpovedať pomocou štandardného modelu kozmológie, známeho aj ako Lambda studená tmavá hmota (ΛCDM), Tento model je založený na podrobných pozorovaniach vyžarovaného svetla veľký tresk -Takzvané kozmické mikrovlnné pozadie (cmb,

V dôsledku rozpínania vesmíru sa galaxie od seba vzďaľujú. Čím sú od nás ďalej, tým rýchlejšie sa pohybujú. Vzťah medzi rýchlosťou a vzdialenosťou galaxie sa riadi „Hubbleovou konštantou“, ktorá je približne 70 km za sekundu na megaparsek (jednotka dĺžky v astronómii). To znamená, že galaxia dosahuje rýchlosť približne 50 000 míľ za hodinu Každý milión svetelných rokov sa od nás vzďaľuje.

Ale bohužiaľ pre štandardný model bola táto hodnota nedávno spochybnená, čo vedie vedcov k tomu, aby ju nazývali „Hubbleov stres.“ Keď meriame rýchlosť expanzie pomocou blízkych galaxií a supernov (explodujúcich hviezd), je o 10% vyššia, ako sa predpokladalo na základe CMB.

Umelcov koncept obrovskej prázdnoty a vlákien a stien, ktoré ju obklopujú. Poďakovanie: Pablo Carlos Budassi

V našom nový papier, uvádzame jedno možné vysvetlenie: že žijeme v obrovskej prázdnote (oblasť s nižšou ako priemernou hustotou) vo vesmíre. Ukazujeme, že môže zlepšiť miestne merania prostredníctvom odtoku hmoty z prázdnoty. Výlevy by vznikli, keď by ju hustejšie oblasti obklopujúce prázdnotu roztrhali – vyvíjali by väčšiu gravitáciu ako menej hustá hmota vo vnútri dutiny.

V tomto scenári by sme museli žiť blízko stredu prázdnoty, v polomere asi miliardy svetelných rokov a s hustotou asi o 20 % menšou ako je priemer celého vesmíru – teda nie úplne prázdny.

Takáto veľká a hlboká medzera v štandardnom modeli je neočakávaná – a preto kontroverzná. CMB poskytuje snímku štruktúry v detskom vesmíre, čo naznačuje, že hmota by dnes mala byť rovnomerne rozptýlená. Počet galaxií v rôznych oblastiach sa však vypočítava priamo skutočne naznačuje Sme v miestnej prázdnote.

porušovanie zákonov gravitácie

Chceli sme ďalej otestovať túto myšlienku porovnávaním niekoľkých rôznych kozmologických pozorovaní za predpokladu, že žijeme vo veľkej prázdnote, ktorá sa vyvinula z malých fluktuácií hustoty v raných dobách.

K tomu náš Ukážka Toto nezahŕňa ΛCDM, ale skôr alternatívnu teóriu nazývanú modifikovaná newtonovská dynamika (pondelok,

MOND bol pôvodne navrhnutý na vysvetlenie anomálií v rýchlosti rotácie galaxií, čo viedlo k návrhu neviditeľnej látky nazývanej „tmavá hmota“. MOND namiesto toho naznačuje, že anomálie možno vysvetliť Newtonovými gravitačnými zákonmi, keď je gravitačná sila veľmi slabá – ako je to v prípade vonkajších oblastí galaxií.

Celková história kozmickej expanzie v MOND bude podobná ako v štandardnom modeli, ale štruktúra (ako napríklad kopy galaxií) bude v MOND rásť rýchlejšie. Náš model predstavuje, ako by mohol vyzerať miestny vesmír vo vesmíre MOND. A zistili sme, že by to dnes umožnilo lokálne meranie rýchlosti expanzie, ktorá sa mení v závislosti od našej polohy.

Kolísanie teploty CMB: Podrobný, celooblohový obraz detského vesmíru vytvorený z deviatich rokov údajov WMAP odhaľuje kolísanie teploty (zobrazené ako farebné rozdiely) spred 13,77 miliardy rokov. Poďakovanie: Vedecký tím NASA/WMAP

Nedávne pozorovania galaxií umožnili nový dôležitý test nášho modelu na základe predpovedaných rýchlostí na rôznych miestach. Dá sa to urobiť meraním niečoho, čo sa nazýva objemový tok, čo je priemerná rýchlosť hmoty v danej oblasti, či už je hustá alebo nie. Mení sa s polomerom gule nedávne pozorovania šou bude pokračovať Až miliardu svetelných rokov.

Je zaujímavé, že objemový tok galaxií v tomto rozsahu je štvornásobok rýchlosti očakávanej v štandardnom modeli. Zdá sa tiež, že sa zvyšuje s veľkosťou regiónu – čo je v rozpore s predpoveďou štandardného modelu. Pravdepodobnosť, že bude v súlade so štandardným modelom, je menšia ako jedna k miliónu.

To nás podnietilo zistiť, čo naša štúdia predpovedala pre objemový tok. Zistili sme, že jeho výnos je celkom dobrý zápas Na postrehy. To si vyžaduje, aby sme boli veľmi blízko stredu prázdnoty a prázdnota je v jeho strede najprázdnejšia.

Prípad uzavretý?

Naše výsledky prichádzajú v čase, keď sú populárne riešenia Hubbleovho napätia v problémoch. Niektorí veria, že potrebujeme presnejšie merania. Iní si myslia, že sa to dá vyriešiť predpokladom vyššej miery expanzie, ktorú meriame lokálne naozaj správne, Vyžaduje si to však malú zmenu v histórii expanzie v ranom vesmíre, aby CMB stále vyzerala správne.

Bohužiaľ, jedna vplyvná recenzia vyzdvihuje sedem Problém S týmto prístupom. Ak by sa vesmír rozpínal o 10 % rýchlejšie ako počas väčšiny kozmickej histórie, bol by tiež asi o 10 % menší – čo je paradoxné. Vek Medzi najstaršie hviezdy.

Existencia hlbokej a rozšírenej lokálnej prázdnoty v počte galaxií a rýchly pozorovaný objemový tok silne naznačujú, že štruktúra rastie rýchlejšie, ako sa očakávalo v ΛCDM v mierkach desiatok až stoviek miliónov svetelných rokov.

Toto je snímka najmasívnejšej kopy galaxií, akú kedy Hubbleov vesmírny teleskop zaznamenal, keď bol vesmír len v polovici súčasného veku, 13,8 miliardy rokov. Kopa obsahuje niekoľko stoviek galaxií rotujúcich pod kolektívnou gravitačnou silou. Celková hmotnosť hviezdokopy, spresnená v nových meraniach Hubbleovho teleskopu, sa odhaduje na 3 milióny miliárd hviezd, ako je naše Slnko (asi 3 000-krát väčšie ako naša vlastná galaxia) – hoci väčšina hmoty je ukrytá vo forme temná hmota. Umiestnenie tmavej hmoty je zmapované v modrom prekrytí. Keďže temná hmota nevyžaruje žiadne žiarenie, astronómovia z Hubbleovho teleskopu presne merajú, ako jej gravitácia skresľuje obrazy vzdialených galaxií v pozadí ako zrkadlo v zábavnom dome. To im umožnilo urobiť odhady hmotnosti pre klaster. V roku 2012, keď röntgenové pozorovania a kinetické štúdie prvýkrát naznačovali, že hviezdokopa bola na čas v ranom vesmíre nezvyčajne masívna, bola v roku 2012 prezývaná El Gordo (v španielčine „ten tučný“). Údaje z Hubbleovho teleskopu potvrdili, že hviezdokopa prechádza násilným zlúčením dvoch menších zhlukov. Poďakovanie: NASA, ESA a J. G (University of California, Davis)

Je zaujímavé, že vieme, že sa vytvorila obrovská kopa galaxií El Gordo (pozri obrázok vyššie). Veľmi skoro Jeho hmotnosť a zrážková rýchlosť sú príliš vysoké na to, aby boli v súlade s kozmickou históriou a so štandardným modelom. To je ďalší dôkaz, že štruktúra sa v tomto modeli vytvára veľmi pomaly.

Keďže gravitácia je dominantná sila v takýchto veľkých mierkach, pravdepodobne budeme musieť rozšíriť Einsteinovu teóriu gravitácie, všeobecnú teóriu relativity – ale len na stupnici väčší ako milión svetelných rokov,

Nemáme však dobrý spôsob, ako zmerať, ako sa gravitácia správa vo veľkých mierkach – žiadny objekt viazaný gravitáciou nie je taký veľký. Môžeme predpokladať, že všeobecná relativita zostáva platná a možno ju porovnávať s pozorovaniami, ale je to práve tento pohľad, ktorý spôsobuje veľmi vážne napätie, ktorému v súčasnosti čelia naše najlepšie modely kozmológie.

Verí sa, že Einstein povedal, že nemôžeme riešiť problémy rovnakým myslením, ktoré problémy spôsobilo. Aj keď požadované zmeny nie sú drastické, možno vidíme prvý spoľahlivý dôkaz za viac ako storočie, že musíme zmeniť našu teóriu gravitácie.

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

Upravené podľa pôvodne publikovaného článku Konverzácia,