Verdeelt een gigantisch vacuüm het universum?

Kosmologen stellen een gigantisch ruimtevacuüm voor als oplossing voor de ‘Hubble-spanning’, waarbij ze traditionele modellen uitdagen en een herziening van Einsteins zwaartekrachttheorie suggereren.

Een van de grootste mysteries in de kosmologie is de uitdijingssnelheid van het universum. Dit kan worden voorspeld met behulp van het Standaardmodel van de Kosmologie, ook wel bekend als Lambda koude donkere materie (ΛCDM). Dit model is gebaseerd op gedetailleerde waarnemingen van restlicht de grote explosie – De zogenaamde kosmische microgolfachtergrond (CMB).

Door de uitdijing van het heelal bewegen sterrenstelsels zich van elkaar af. Hoe verder ze van ons verwijderd zijn, hoe sneller ze bewegen. De relatie tussen galactische snelheid en afstand wordt bepaald door de ‘Hubble-constante’, die ongeveer 70 km per seconde per megaparsec (lengte-eenheid in de astronomie) bedraagt. Dit betekent dat de Melkweg Je wint ongeveer 50.000 mijl per uur Voor elke miljoen lichtjaren verwijderd van ons.

Helaas voor het Standaardmodel is deze waarde onlangs betwist, wat heeft geleid tot wat wetenschappers de ‘ “Hubble-spanning.” Wanneer we de uitdijingssnelheid meten met behulp van nabijgelegen sterrenstelsels en supernova’s (exploderende sterren), is deze 10% groter dan toen we deze voorspelden op basis van de CMB.

Artistieke weergave van de gigantische leegte en de snaren en muren eromheen. Krediet: Pablo Carlos Budasi

In onze Nieuw papierWij bieden één mogelijke verklaring: dat we in een gigantisch ruimtevacuüm leven (een gebied met een lager dan gemiddelde dichtheid). We hebben aangetoond dat dit ertoe kan leiden dat lokale metingen worden versterkt door materiestromen uit de leegte. Uitstromen kunnen ontstaan ​​wanneer dichtere gebieden rond een vacuüm het uit elkaar trekken, waardoor een grotere aantrekkingskracht wordt uitgeoefend dan de materie met een lagere dichtheid in het vacuüm.

In dit scenario zouden we ons dichtbij het centrum van een vacuüm moeten bevinden met een straal van ongeveer een miljard lichtjaar en een dichtheid die ongeveer 20% lager is dan die van het gemiddelde heelal als geheel, dat wil zeggen niet helemaal leeg.

Zo’n grote en diepe leegte is in het Standaardmodel onverwacht – en daarom controversieel. De CMB geeft een momentopname van de structuur van het ontluikende heelal, wat erop wijst dat de materie vandaag de dag tamelijk uniform verspreid moet zijn. Het aantal sterrenstelsels in verschillende regio’s wordt echter rechtstreeks berekend Het wordt al gesuggereerd We bevinden ons in een plaatselijk vacuüm.

Het wijzigen van de wetten van de zwaartekracht

We wilden dit idee verder testen door verschillende kosmologische waarnemingen met elkaar te vergelijken door aan te nemen dat we in een groot vacuüm leven dat is ontstaan ​​door kleine dichtheidsfluctuaties in vroege tijdperken.

Om dit te doen, hebben we model Het omvatte niet ΛCDM, maar een alternatieve theorie genaamd gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek (Mond).

MOND werd oorspronkelijk voorgesteld om afwijkingen in de rotatiesnelheden van sterrenstelsels te verklaren, wat leidde tot de suggestie van het bestaan ​​van een onzichtbare substantie die ‘donkere materie’ wordt genoemd. MOND suggereert in plaats daarvan dat deze anomalieën kunnen worden verklaard door de zwaartekrachtwet van Newton, die in werking treedt wanneer de zwaartekracht te zwak is, zoals in de buitenste gebieden van sterrenstelsels.

De algehele kosmische expansiegeschiedenis in MOND zal vergelijkbaar zijn met het standaardmodel, maar de structuur (zoals clusters van sterrenstelsels) zal sneller groeien in MOND. Ons model geeft weer hoe het lokale universum in het MOND-universum eruit zou kunnen zien. We ontdekten dat hierdoor lokale metingen van de huidige expansiesnelheid zouden kunnen fluctueren, afhankelijk van onze locatie.

CMB-temperatuurschommelingen: een gedetailleerd beeld van het ontluikende heelal, gemaakt van negen jaar aan WMAP-gegevens, waaruit temperatuurschommelingen blijken die zo oud zijn als 13,77 miljard jaar (weergegeven in kleurvariaties). Krediet: NASA/WMAP Wetenschapsteam

Recente waarnemingen van sterrenstelsels hebben een cruciale nieuwe test van ons model mogelijk gemaakt op basis van de snelheid die het op verschillende locaties voorspelt. Dit kan worden gedaan door het meten van de zogenaamde bulkstroom, wat de gemiddelde snelheid is van het materiaal in een bepaalde bal, ongeacht of deze compact is of niet. Dit varieert met de straal van de bal Laatste opmerkingen een aanbod Het gaat door Tot een miljard lichtjaren.

Interessant genoeg verviervoudigde de enorme stroom van sterrenstelsels op deze schaal de snelheid die in het standaardmodel wordt verwacht. Ze lijken ook toe te nemen met de omvang van de beschouwde regio, in tegenstelling tot wat het Standaardmodel voorspelt. De kans dat dit consistent is met het Standaardmodel is kleiner dan één op een miljoen.

Dit bracht ons ertoe te kijken wat ons onderzoek naar de bulkstroom voorspelde. We hebben gemerkt dat het heel goed produceert overeenkomst Naar de notities. Dit vereist dat we redelijk dicht bij het midden van het vacuüm zijn, en dat het vacuüm in het midden leger is.

Zaak gesloten?

Onze resultaten komen op een moment dat algemene oplossingen voor de Hubble-tensor in de problemen komen. Sommigen denken dat we gewoon nauwkeurigere metingen nodig hebben. Anderen zijn van mening dat dit kan worden opgelost door ook uit te gaan van de hoge expansiesnelheid die we lokaal meten Eigenlijk juist. Maar dit vereist een kleine aanpassing in de uitdijingsgeschiedenis van het vroege heelal voordat de CMB er nog steeds correct uitziet.

Helaas belicht één invloedrijke recensie er zeven problemen Met deze aanpak. Als het universum gedurende het overgrote deel van de kosmische geschiedenis 10% sneller uitdijde, zou het ook ongeveer 10% jonger zijn – wat in tegenspraak is met de heersende theorie. Leeftijden Een van de oudste sterren.

De aanwezigheid van een diepe, uitgebreide lokale leegte in de populaties van sterrenstelsels en de waargenomen snelle grote uitstroom suggereren sterk dat de structuur sneller groeit dan verwacht in het ΛCDM op een schaal tussen tientallen en honderden miljoenen lichtjaren.

Dit is een opname met de Hubble-ruimtetelescoop van de grootste cluster van sterrenstelsels die ooit is gezien toen het universum de helft van zijn huidige leeftijd van 13,8 miljard jaar had. De cluster bevat enkele honderden sterrenstelsels die samenkomen onder invloed van de collectieve zwaartekracht. De totale massa van de cluster, zoals verfijnd in nieuwe Hubble-metingen, weegt naar schatting maar liefst 3 miljoen miljard sterren zoals onze zon (ongeveer 3000 keer groter dan ons Melkwegstelsel) – hoewel het grootste deel van de massa verborgen is. Donker kompres. De donkere materie bevindt zich in de blauwe overlay. Omdat donkere materie geen straling uitzendt, hebben Hubble-astronomen in plaats daarvan zorgvuldig gemeten hoe de zwaartekracht de beelden van verre achtergrondstelsels vervormde als een pretspiegel. Hierdoor konden ze een alomvattende schatting van de massa maken. De cluster kreeg in 2012 de naam El Gordo (Spaans voor ‘de dikke’), toen röntgenwaarnemingen en kinematische studies voor het eerst aantoonden dat de cluster ongewoon massief was voor de tijd in het vroege heelal toen hij bestond. Hubble-gegevens bevestigden dat het cluster een gewelddadige fusie ondergaat tussen twee kleinere clusters. Bron afbeelding: NASA, ESA en J. Jee (Universiteit van Californië, Davis)

Interessant genoeg weten we dat de supercluster El Gordo (zie afbeelding hierboven) is gevormd Te vroeg In de kosmische geschiedenis heeft het een massa en botssnelheid die zo hoog zijn dat het niet in het standaardmodel past. Dit is een verder bewijs dat de structuur zich in dit model zeer langzaam vormt.

Omdat de zwaartekracht op zulke grote schaal de dominante kracht is, moeten we waarschijnlijk Einsteins zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, uitbreiden – maar alleen op schaal. Groter dan een miljoen lichtjaar.

We hebben echter geen goede manier om te meten hoe de zwaartekracht zich op veel grotere schaal gedraagt, omdat er geen zwaartekrachtgebonden objecten zijn die zo groot zijn. We kunnen ervan uitgaan dat de algemene relativiteitstheorie geldig blijft en deze vergelijken met waarnemingen, maar het is juist deze benadering die leidt tot de extreme spanningen waarmee ons beste kosmologische model momenteel wordt geconfronteerd.

Er wordt aangenomen dat Einstein zei dat we problemen niet kunnen oplossen met dezelfde denkwijze die in de eerste plaats tot de problemen heeft geleid. Zelfs als de vereiste veranderingen niet radicaal zijn, zouden we het eerste betrouwbare bewijs in meer dan een eeuw kunnen zien dat we onze zwaartekrachttheorie moeten veranderen.

Geschreven door Indranil Panik, postdoctoraal onderzoeker in astrofysica, Universiteit van St. Andrews.

Aangepast van een artikel oorspronkelijk gepubliceerd in Gesprek.