Фото: Пабло Карлос Будасси/Википедия, CC BY-SA
Одна из величайших 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 света, оставшегося от Большого взрыва — так называемого космического микроволнового фона (CMB).
Расширение Вселенной заставляет галактики отдаляться 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 скорость галактики увеличивается примерно на 50 000 миль в час на каждый миллион световых лет, когда она находится вдали от нас.
Но, к несчастью для стандартной модели, это значение недавно было оспорено, что привело к тому, что ученые называют напряжением Хаббла. Когда мы измеряем скорость расширения, используя близлежащие галактики и сверхновые (взрывающиеся звезды), она на 10% больше, чем когда мы предсказываем ее на основе реликтового излучения.
В нашей новой статье, опубликованной в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», мы представляем одно возможное объяснение: мы живем в гигантской космической пустоте (области с плотностью ниже средней). Мы показываем, что это может увеличить локальные измерения за счет истечения материи из пустоты. Оттоки возникнут, когда более плотные области, окружающие пустоту, разорвут ее на части — они будут оказывать большее гравитационное притяжение, чем вещество с более низкой плотностью внутри пустоты.
В этом сценарии нам нужно было бы находиться вблизи центра пустоты радиусом около миллиарда световых лет и с плотностью примерно на 20% ниже средней для Вселенной в целом, то есть не совсем пустой.
Такая большая и глубокая пустота является неожиданной для стандартной модели и, следовательно, противоречивой. Реликтовое излучение дает представление о структуре молодой Вселенной, предполагая, что сегодня материя должна быть распределена довольно равномерно. Однако прямой подсчет количества галактик в разных регионах действительно предполагает, что мы находимся в локальной пустоте.
Изменение законов гравитации
Мы хотели проверить эту идею дальше, сопоставив множество различных космологических наблюдений, предположив, что мы живем в большой пустоте, которая возникла в результате небольших флуктуаций плотности в ранние времена.
Для этого наша модель включала не ΛCDM, а альтернативную теорию, называемую модифицированной ньютоновской динамикой (MOND).
Первоначально МОНД был предложен для объяснения аномалий скорости вращения галактик, что и привело к предположению о существовании невидимой субстанции, называемой «темной материей». Вместо этого МОНД предполагает, что аномалии можно объяснить нарушением закона гравитации Ньютона, когда гравитационное притяжение очень слабое, как это имеет место во внешних областях галактик.
Общая история космического расширения в MOND будет аналогична стандартной модели, но структура (например, скопления галактик) в MOND будет расти быстрее. Наша модель показывает, как может 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 галактик 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, который представляет собой среднюю скорость материи в данной сфере, плотной или нет. Это зависит от радиуса сферы: недавние наблюдения показывают, что он продолжается до миллиарда световых лет.
Интересно, что объемный поток галактик в этом масштабе имеет скорость, в четыре раза превышающую ожидаемую в стандартной модели. Кроме того, кажется, что оно увеличивается с размером рассматриваемого региона — в отличие от того, что предсказывает стандартная модель. Вероятность того, что это согласуется со стандартной моделью, составляет менее одного на миллион.
Колебания температуры реликтового излучения (цветовые различия). Кредит: НАСА
Это побудило нас посмотреть, что наше исследование предсказало для объемного потока. Мы обнаружили, что это дает довольно хорошее соответствие наблюдениям. Для этого необходимо, чтобы мы находились довольно близко к центру пустоты, и чтобы пустота была наиболее пуста в своем центре.
Дело закрыто?
Наши результаты получены в то время, когда популярные решения проблемы напряжения Хаббла находятся в затруднительном положении. Некоторые считают, что нам просто нужны более точные измерения. Другие думают, что эту проблему можно решить, если предположить, что высокая скорость расширения, которую мы измеряем на местном уровне, на самом деле является правильной. Но для этого потребуется небольшая корректировка истории расширения ранней Вселенной, чтобы реликтовое излучение по-прежнему выглядело правильно.
К сожалению, влиятельный обзор выделяет семь проблем с этим подходом. Если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее на протяжении большей части космической истории, она также была бы примерно на 10% моложе, что противоречило бы возрасту самых старых звезд.
Существование глубокой и протяженной локальной пустоты в числе галактик и наблюдаемые быстрые объемные потоки убедительно свидетельствуют о том, что структура в ΛCDM растет быстрее, чем ожидалось, в масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.
Интересно, что мы знаем, что массивное скопление галактик Эль-Гордо сформировалось слишком рано в космической истории и имеет слишком большую массу и скорость столкновения, чтобы быть совместимым со стандартной моделью. Это еще одно свидетельство того, что в этой модели структура формируется слишком медленно.
Поскольку гравитация является доминирующей силой на таких больших масштабах, нам, скорее всего, придется расширить теорию гравитации Эйнштейна, общую теорию относительности, но только на масштабы, превышающие миллион световых лет.
Однако у нас нет хорошего способа измерить, как гравитация ведет себя в гораздо больших масштабах — не существует настолько огромных гравитационно-связанных объектов. Мы можем предположить, что общая теория относительности остается верной, и сравнить ее с наблюдениями, но именно этот подход приводит к очень серьезному напряжению, с которым 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 необходимые изменения не будут радикальными, мы вполне можем стать свидетелями первых за более чем столетие надежных доказательств того, что нам необходимо изменить нашу теорию гравитации.
Информация от: Разговором
