Мы живем в гигантской пустоте?

Эта модель основана на детальных наблюдениях за светом, оставшимся после Большого взрыва, – так называемым космическим микроволновым фоном (CMB).

Расширение Вселенной заставляет галактики удаляться друг от друга. Чем дальше они находятся, тем быстрее движутся.

Связь между скоростью галактик и расстоянием определяется “постоянной Хаббла”, которая составляет около 43 миль (70 километров) в секунду на мегапарсек (единица измерения длины в астрономии). Это означает, что скорость галактики увеличивается примерно на 50 000 миль в час на каждый миллион световых лет, когда она удаляется от нас.

Но, к сожалению для стандартной модели, это значение недавно было оспорено, что привело к тому, что ученые назвали “напряжением Хаббла”. Когда мы измеряем скорость расширения по близлежащим галактикам и сверхновым (взрывающимся звездам), она оказывается на 10 % больше, чем если бы мы предсказывали ее на основе реликтового излучения.

В нашей новой статье мы представляем одно из возможных объяснений: мы живем в гигантской космической пустоте (области с плотностью ниже средней). Мы показываем, что это может увеличить локальные размеры из-за истечения материи из пустоты.

Излияния будут происходить, когда более плотные области, окружающие пустоту, разорвут ее на части – они будут оказывать большее гравитационное притяжение, чем материя с меньшей плотностью внутри пустоты.

В этом случае мы должны находиться в центре 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 неожиданна для стандартной модели и поэтому вызывает споры. 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 позволяет предположить, что мы находимся в локализованной пустоте.

Изменение законов гравитации

Мы хотели проверить эту идею дальше, сравнив множество различных космологических наблюдений, предполагающих, что мы живем в большой пустоте, которая выросла из-за небольших флуктуаций плотности в ранние времена.

Для этого наша модель включала не ΛCDM, а альтернативную теорию, называемую модифицированной ньютоновской динамикой (MOND).

Изначально MOND была предложена для объяснения аномалий в скоростях вращения галактик, что привело к предположению о существовании невидимой субстанции, называемой “темной материей”. Вместо этого MOND предполагает, что аномалии могут быть объяснены нарушением закона гравитации Ньютона, когда гравитационное притяжение очень слабое – как это происходит во внешних областях галактик.

Общая история космического расширения в MOND будет похожа на стандартную модель, но структура (например, скопления галактик) в MOND будет расти быстрее. Наша модель показывает, как может выглядеть локальная Вселенная в МОНД-вселенной. И мы обнаружили, что она позволит локальным измерениям скорости расширения сегодня колебаться в зависимости от нашего местоположения.

Недавние наблюдения за галактиками позволили провести новую решающую проверку нашей модели на основе предсказываемых ею скоростей в различных точках. Это можно сделать, измерив так называемый объемный поток, который представляет собой среднюю скорость материи в данной сфере, плотной или нет. Этот показатель зависит от радиуса сферы: последние наблюдения показывают, что он простирается до миллиарда световых лет.

Интересно, что основной поток галактик в этом масштабе имеет скорость, в четыре раза превышающую ту, которая ожидается в стандартной модели. Кроме того, оказывается, что она увеличивается с ростом размера рассматриваемого региона – противоположно тому, что предсказывает стандартная модель. Вероятность того, что это согласуется со стандартной моделью, составляет менее одного к миллиону.

Это побудило нас посмотреть, что наше исследование предсказывает для объемного потока. Мы обнаружили, что оно довольно хорошо согласуется с наблюдениями. Для этого необходимо, чтобы мы находились довольно близко к центру пустоты, и чтобы пустота была наиболее пустой в ее центре.

Дело закрыто?

Наши результаты получены в то время, когда популярные решения проблемы хаббловского напряжения находятся в затруднительном положении. Некоторые считают, что нам просто нужны более точные измерения. Другие считают, что проблему можно решить, если предположить, что высокая скорость расширения, которую мы измеряем локально, на самом деле верна.

Но это потребует небольшой корректировки истории расширения ранней Вселенной, чтобы реликтовое излучение выглядело правильно.

К сожалению, во влиятельном обзоре выделяются семь проблем, связанных с этим подходом. Если бы Вселенная расширялась на 10 % быстрее на протяжении большей части космической истории, она была бы также примерно на 10 % моложе, что противоречило бы возрасту самых старых звезд.

Существование глубокой и протяженной локальной пустоты в количестве галактик и наблюдаемые быстрые объемные потоки убедительно свидетельствуют о том, что структура в ΛCDM растет быстрее, чем ожидалось, на масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.

Интересно, что мы знаем, что массивное скопление галактик Эль-Гордо образовалось слишком рано в космической истории и имеет слишком большую массу и скорость столкновений, чтобы быть совместимым со стандартной моделью. Это еще одно доказательство того, что структура в этой модели формируется слишком медленно.

Поскольку гравитация является доминирующей силой на таких больших масштабах, нам, вероятно, придется расширить теорию гравитации Эйнштейна, общую теорию относительности – но только до масштабов, превышающих миллион световых лет.

Однако у нас нет хорошего способа измерить, как гравитация ведет себя на гораздо больших масштабах – нет таких огромных гравитационно связанных объектов. Мы можем предположить, что общая теория относительности остается верной, и сравнить ее с наблюдениями, но именно такой подход приводит к очень серьезному противоречию, с которым сейчас сталкивается наша лучшая модель космологии.

Считается, что Эйнштейн сказал, что мы не можем решать проблемы, используя то же мышление, которое изначально их вызвало. Даже если необходимые изменения не будут радикальными, мы вполне можем стать свидетелями первого за столетие достоверного доказательства того, что нам необходимо изменить нашу теорию гравитации.