Если мы находимся в области с плотностью ниже средней, как показано зеленой точкой, то материя будет утекать от нас из-за более сильной гравитации из окружающих более плотных областей, как показывают красные стрелки. Фото предоставлено: Мориц Хаслбауэр и Зария Лукич.
Астрономы уже столетие знают, что Вселенная расширяется. Теперь мы можем проследить это расширение на протяжении большей части его почти 14-миллиардной истории, причем важные ограничения возникли всего через секунду после Большого взрыва! Скорость расширения теперь известна как постоянная Хаббла (H0).
Мы можем найти H0, используя наблюдения в ранние или поздние периоды космической истории, но они дают разные ответы. Это несоответствие известно как «напряжение Хаббла» и является настоящим кризисом для космологии.
Ранний путь к H0 связан с космическим микроволновым фоном (CMB), светом, оставшимся после Большого взрыва. Куда бы мы ни посмотрели, оно почти равномерное, но есть колебания реликтового излучения в 0,001%, и они имеют характерную картину. Точно так же, как гитарная струна из-за своей длины издает звуки только на определенных частотах, то же самое относится и к CMB.
Измеряя, какие углы в небе реликтового излучения имеют больше и меньше «шума», мы можем, по сути, услышать раннюю Вселенную и определить ее размер на момент излучения реликтового излучения.
Детальное моделирование этой информации с использованием стандартной модели космологии, известной как лямбда-холодная темная материя (ΛCDM), показывает, что хорошее соответствие возможно только для точного набора космологических параметров, которые включают, среди прочего, H0 и плотности материя и темная энергия принадлежат другим вещам.
Это четкое предсказание текущей скорости расширения можно проверить на примере соседней Вселенной. Чем дальше мы смотрим, тем дольше путешествует свет и тем больше за это время расширилась Вселенная.
Это расширение также приводит к растяжению отдельных фотонов, в результате чего более далекие галактики и сверхновые кажутся более красными. Если мы построим это «красное смещение» на «диаграмме Хаббла» в зависимости от расстояния до сверхновой, мы получим почти линейную зависимость, известную как закон Хаббла. Его наклон говорит нам о H0.
Этот подход последовательно дает значения H0 примерно на 8% выше, чем те, которые основаны на реликтовом излучении, но погрешность составляет менее 2% — отсюда и напряжение Хаббла.
Локальные измерения предполагают, что космическое расширение является единственным важным фактором красного смещения. Это не верно для большинства близлежащих галактик: Андромеда имеет синее смещение, потому что благодаря их взаимной гравитации она приближается к Млечному Пути, даже когда Вселенная расширяется в больших масштабах.
Чтобы свести к минимуму влияние локальной структуры, астрономы обычно не рассматривают сверхновые на расстоянии около 300 миллионов световых лет при измерении H0. Однако, поскольку скорость расширения со временем менялась и это меняет соотношение между красным смещением и расстоянием, они не превышают предела в 2 миллиарда световых лет. Это оставляет «окно», в котором H0 можно измерить по диаграмме Хаббла.
Как может помочь локальный разрыв
Но насколько чисто это окно? Возможно, не так чисто, как думают люди. Наблюдения в электромагнитном спектре убедительно свидетельствуют о том, что мы находимся недалеко от центра большой области с плотностью ниже средней. Эта космическая полость известна как полость KBC в честь ее первооткрывателей, которые использовали подсчет числа галактик.
Материя будет течь из полости KBC в сторону более плотной среды. Это создало бы дополнительные «странные» скорости помимо космического расширения. Эти конкретные скорости в основном будут направлены в сторону от нас, создавая дополнительное красное смещение, которое усиливает локальное измерение H0.
Избыточное красное смещение сначала будет увеличиваться с увеличением расстояния, а затем снова уменьшаться за пределами пустоты. В статье 2020 года мы показали, что это может решить проблему Хаббла и объяснить количество галактик, если предположить, что наша часть Вселенной примерно на 20% менее плотна, чем в среднем, на расстоянии до миллиарда световых лет от нас.
Столь большой и глубокий сверхпустот является неожиданным для стандартной теории. Однако есть несколько признаков того, что структуры растут быстрее, чем прогнозировалось: от гигантских дуг и колец газовых облаков до столкновений скоплений галактик, таких как Эль-Гордо, которые слишком массивны для своего времени.
В наших моделях нам приходилось искусственно увеличивать гравитацию, чтобы сформировать полость КБК. Мы ожидаем, что это изменение затронет только масштабы длины, превышающие десять миллионов световых лет, где силу гравитации трудно проверить.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Тестирование модели локальной полости
В недавнем исследовании мы дополнительно проверили идею локальных пустот. Используя нашу ранее опубликованную модель локальной полости, мы рассчитали прогнозируемое ею поле скоростей в соседней Вселенной. Исследование было опубликовано в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества».
Это зависит от того, где именно мы находимся в Пустоте. Выбрав подходящую точку обзора, мы обнаружили, что можно добиться хорошего соответствия «массовому потоку», средней скорости всей материи внутри сферы фиксированного радиуса. Есть некоторые технические детали, поскольку астрономам доступны только скорости вдоль луча зрения, но главное заключается в том, что поток массы можно измерить без каких-либо предположений о H0.
Массовый поток зависит от размера рассматриваемой области, и теперь доступны результаты для диапазона чуть более миллиарда световых лет. Наша модель хорошо соответствует этим наблюдениям. Однако наблюдаемый поток массы на самых больших радиусах в четыре раза превышает ожидаемый ΛCDM.
Мы работаем над несколькими другими тестами. Один из них использует в качестве «стандартной линейки» акустические барионные колебания (БАО). Колебания, наблюдаемые в реликтовом излучении, отразились на распределении материи в больших масштабах и привели к характерному масштабу длин, который можно увидеть в обзорах галактик. Эта длина только увеличивается за счет универсального расширения.
Измеряя угловую шкалу этой стандартной линейки в разные моменты времени, мы можем записать ход расширения. Небольшое отклонение от космологии без пустот должно быть очевидным в локальной Вселенной, поскольку истечение из пустоты увеличивает красное смещение и искажает связь между красным смещением и угловой шкалой БАО. Измерения БАО за последние двадцать лет показывают именно такое отклонение.
ΛCDM не может разрешить напряжение Хаббла или объяснить такую большую и глубокую полость, как наблюдаемая. Возможно, космологам нужно выбраться из дыры напряжения Хаббла, отправившись в нужное место в реальной дыре.
Эта история является частью Science X Dialogue, где исследователи могут поделиться результатами своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу, чтобы получить информацию о диалоге Science X и о том, как принять в нем участие.
Сейчас я работаю в Институте космологии и гравитации Портсмутского университета вместе со своим начальником Гарри Десмондом, чтобы проверить эту идею с другими исследователями по всему миру.
