Одной из самых больших загадок в космологии является скорость, с которой расширяется Вселенная. Это можно предсказать, используя стандартную космологическую модель, также известную как лямбда-холодная темная материя (ΛCDM) — Lambda-cold dark matter (ΛCDM).. Эта модель основана на детальных наблюдениях света, оставшегося после Большого взрыва, — так называемого космического микроволнового фона (CMB).
от Автора: by Indranil Banik, The Conversation
Расширение Вселенной заставляет галактики удаляться друг от друга. Чем дальше они от нас, тем быстрее они движутся. Соотношение между скоростью галактики 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, удаленных от нас.
Но, к сожалению для стандартной модели, это значение недавно было оспорено, что привело к тому, что ученые называют напряженностью Хаббла. Когда мы измеряем скорость расширения с использованием близлежащих галактик и сверхновых (взрывающихся звезд), она на 10% больше, чем когда мы прогнозируем ее на основе CMB.
В нашей новой статье, опубликованной в Monthly Notices Королевского астрономического общества, мы представляем одно возможное объяснение: мы живем в гигантской пустоте в космосе (области с плотностью ниже средней). Мы показываем, что это может привести к завышению локальных измерений за счет оттока вещества из пустоты. Оттоки возникали бы, когда более плотные области, окружающие пустоту, растаскивали бы ее на части — они оказывали бы большее гравитационное притяжение, чем вещество с меньшей плотностью внутри пустоты.
В этом сценарии мы должны были бы находиться вблизи центра пустоты радиусом около миллиарда световых лет и с плотностью примерно на 20% ниже средней по Вселенной в целом — то есть не совсем пустой.
Такая большая и глубокая пустота неожиданна в стандартной модели — и поэтому противоречива. CMB дает представление о структуре зарождающейся Вселенной, предполагая, что материя сегодня должна быть распределена довольно равномерно. Однако прямой подсчет количества галактик в разных регионах действительно предполагает, что мы находимся в локальной пустоте.
Изменение законов тяготения. Мы хотели проверить эту идею дальше, сопоставив множество различных космологических наблюдений, предположив, что мы живем в большой пустоте, которая возникла из небольшого колебания плотности в ранние времена.
Чтобы сделать это, наша модель включала не ΛCDM, а альтернативную теорию, называемую модифицированной ньютоновской динамикой (MOND).
Первоначально MOND был предложен для объяснения аномалий в скоростях вращения галактик, что привело к предположению о невидимой субстанции, называемой «темной материей». Вместо этого МОНД предполагает, что аномалии могут быть объяснены нарушением закона всемирного тяготения Ньютона, когда гравитационное притяжение очень слабое — как это имеет место во внешних областях галактик.
Общая история космического расширения в MOND была бы аналогична стандартной модели, но структуры (такие как скопления галактик) в MOND росли бы быстрее. Наша модель отражает то, как могла бы выглядеть локальная вселенная во вселенной MOND. И мы обнаружили, что это позволит местным измерениям скорости расширения сегодня колебаться в зависимости от нашего местоположения.
Недавние наблюдения за галактиками позволили провести новую критическую проверку нашей модели, основанную на скорости, которую она предсказывает в разных местах. Это можно сделать, измерив так называемый объемный поток, который представляет собой среднюю скорость вещества в данной сфере, плотной или нет. Это зависит от радиуса сферы, и недавние наблюдения показали, что он простирается на миллиард световых лет.
Интересно, что массовый поток галактик в этом масштабе вчетверо превышает скорость, ожидаемую в стандартной модели. Также кажется, что он увеличивается с увеличением размера рассматриваемой области — в противоположность тому, что предсказывает стандартная модель. Вероятность того, что это согласуется со стандартной моделью, составляет менее одного на миллион.
Это побудило нас посмотреть, что предсказало наше исследование для объемного потока. Мы обнаружили, что оно дает довольно хорошее соответствие наблюдениям. Для этого требуется, чтобы мы находились довольно близко к центру пустоты, а пустота была наиболее пустой в своем центре.
Дело закрыто? Наши результаты получены в то время, когда популярные решения проблемы напряженности Хаббла терпят неудачу. Некоторые считают, что нам просто нужны более точные измерения. Другие считают, что проблему можно решить, предположив, что высокая скорость расширения, которую мы измеряем локально, на самом деле является правильной. Но это требует небольшой корректировки истории расширения в ранней Вселенной, чтобы CMB по-прежнему выглядел правильно. К сожалению, влиятельный обзор выделяет семь проблем, связанных с этим подходом. Если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее на протяжении подавляющего большинства периодов космической истории, она также была бы примерно на 10% моложе, что противоречит возрасту старейших звезд.
Существование глубокой и протяженной локальной пустоты в галактике подсчитывается числом, а наблюдаемые быстрые объемные потоки убедительно свидетельствуют о том, что структура растет быстрее, чем ожидалось в ΛCDM, в масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.
Интересно, что мы знаем, что массивное скопление галактик Эль Гордо сформировалось слишком рано в истории космоса и имеет слишком высокую массу и скорость столкновения, чтобы быть совместимым со стандартной моделью. Это еще одно доказательство того, что структура формируется слишком медленно в этой модели.
Поскольку гравитация является доминирующей силой в таких больших масштабах, нам, скорее всего, необходимо расширить теорию тяготения Эйнштейна, общую теорию относительности, но только на масштабы, превышающие миллион световых лет. Однако у нас нет хорошего способа измерить, как ведет себя гравитация в гораздо больших масштабах — таких огромных объектов, связанных гравитацией, не существует. Мы можем предположить, что общая теория относительности остается в силе, и сравнить с наблюдениями, но именно такой подход приводит к очень серьезным противоречиям, с которыми в настоящее время сталкивается наша лучшая модель космологии.
Считается, что Эйнштейн сказал, что мы не можем решать проблемы с помощью того же мышления, которое изначально привело к возникновению проблем. Даже если требуемые изменения не будут радикальными, мы вполне можем стать свидетелями первого за более чем столетие надежного доказательства того, что нам необходимо изменить нашу теорию гравитации.
фото: Credit: Pablo Carlos Budassi/wikipedia, CC BY-SA / Автор: Пабло Карлос Будасси/википедия, CC BY-SA
More information: Sergij Mazurenko et al, A simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 h−1 Mpc, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2023). DOI: 10.1093/mnras/stad3357
Provided by The Conversation
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.