Ζούμε σε ένα τεράστιο κενό; Θα μπορούσε να λύσει το παζλ της διαστολής του σύμπαντος

By | December 6, 2023

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο Η συζήτηση. Η δημοσίευση συνέβαλε το άρθρο στο Space.com Expert Voices: Opinion Articles and Insights.

Ιντρανίλ Μπάνικ είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στην αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο του Σεντ Λούις.

Ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην κοσμολογία είναι ο ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν. Αυτό μπορεί να προβλεφθεί χρησιμοποιώντας το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας, επίσης γνωστή ως Ψυχρή σκοτεινή ύλη λάμδα (ΛCDM). Αυτό το μοντέλο βασίζεται σε λεπτομερείς παρατηρήσεις του φωτός που έμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη – το λεγόμενο κοσμικό φόντο μικροκυμάτων (CMB).

Η διαστολή του σύμπαντος αναγκάζει τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Όσο πιο μακριά είναι από εμάς, τόσο πιο γρήγορα κινούνται. Η σχέση μεταξύ της ταχύτητας και της απόστασης ενός γαλαξία διέπεται από τη «σταθερά Hubble», η οποία είναι περίπου 43 μίλια (70 km) ανά δευτερόλεπτο ανά Megaparsec (μονάδα μήκους σε αστρονομία). Αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας κερδίζει περίπου 50.000 μίλια την ώρα για κάθε εκατομμύριο έτη φωτός είναι μακριά μας.

Αλλά δυστυχώς για το Καθιερωμένο Μοντέλο, αυτή η τιμή αμφισβητήθηκε πρόσφατα, οδηγώντας σε αυτό που αποκαλούν οι επιστήμονες «Τάση Hubble». Όταν μετράμε τον ρυθμό διαστολής χρησιμοποιώντας κοντινούς γαλαξίες και σουπερνόβα (εκρήγνυται αστέρια), είναι 10% μεγαλύτερο από ό,τι όταν το προβλέψαμε με βάση το CMB.

Σχετίζεται με: Η διαστολή του σύμπαντος θα μπορούσε να είναι ένας αντικατοπτρισμός, προτείνει νέα θεωρητική μελέτη

Στο δικό μας νέο ρόλοπαρουσιάζουμε μια πιθανή εξήγηση: ότι ζούμε σε ένα τεράστιο κενό χώρος (περιοχή με πυκνότητα κάτω του μέσου όρου). Δείξαμε ότι αυτό θα μπορούσε να διογκώσει τις τοπικές μετρήσεις μέσω εκροών ύλης από το κενό. Ρεύματα θα προέκυπταν όταν πυκνότερες περιοχές γύρω από ένα κενό το χωρίσουν – θα ασκούσαν μεγαλύτερη βαρυτική έλξη από την ύλη χαμηλότερης πυκνότητας μέσα στο κενό.

Σε αυτό το σενάριο, θα χρειαστεί να βρισκόμαστε κοντά στο κέντρο ενός κενού σε ακτίνα περίπου ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός και με πυκνότητα περίπου 20% κάτω από το μέσο όρο το σύμπαν ως σύνολο – επομένως όχι εντελώς άδειο.

Ένα τόσο μεγάλο και βαθύ κενό είναι απροσδόκητο στο τυπικό μοντέλο – και επομένως αμφιλεγόμενο. Το CMB παρέχει ένα στιγμιότυπο της δομής του πρώιμου σύμπαντος, υποδεικνύοντας ότι η ύλη σήμερα πρέπει να απλώνεται αρκετά ομοιόμορφα. Ωστόσο, μετρώντας απευθείας το αριθμός γαλαξιών σε διαφορετικές περιοχές υποδηλώνει μάλιστα βρισκόμαστε σε ένα τοπικό κενό.

Ρύθμιση των νόμων της βαρύτητας

Θέλαμε να δοκιμάσουμε αυτή την ιδέα περαιτέρω συνδυάζοντας πολλές διαφορετικές κοσμολογικές παρατηρήσεις, υποθέτοντας ότι ζούμε σε ένα μεγάλο κενό που αναπτύχθηκε από μια μικρή διακύμανση της πυκνότητας στα πρώτα χρόνια.

Για να γίνει αυτό, μας μοντέλο δεν ενσωμάτωσε το ΛCDM, αλλά μια εναλλακτική θεωρία που ονομάζεται Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (ΚΟΣΜΟΣ).

Το MOND προτάθηκε αρχικά για να εξηγήσει τις ανωμαλίες στις ταχύτητες περιστροφής των γαλαξιών, οι οποίες οδήγησαν στην πρόταση μιας αόρατης ουσίας που ονομάζεται “σκοτεινή ύλη“. Αντίθετα, ο MOND προτείνει ότι οι ανωμαλίες μπορούν να εξηγηθούν από το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα να σπάσει όταν η βαρυτική έλξη είναι πολύ ασθενής – όπως συμβαίνει στις εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών.

Η συνολική ιστορία της κοσμικής επέκτασης στο MOND θα ήταν παρόμοια με το Καθιερωμένο Μοντέλο, αλλά η δομή (όπως τα σμήνη γαλαξιών) θα αναπτυσσόταν πιο γρήγορα στο MOND. Το μοντέλο μας αποτυπώνει πώς μοιάζει το τοπικό σύμπαν σε ένα σύμπαν MOND. Και διαπιστώσαμε ότι αυτό θα επέτρεπε στις τοπικές μετρήσεις του ρυθμού επέκτασης σήμερα να κυμαίνονται ανάλογα με την τοποθεσία μας.

Πρόσφατες παρατηρήσεις γαλαξιών επέτρεψαν μια κρίσιμη νέα δοκιμή του μοντέλου μας με βάση την ταχύτητα που προβλέπει σε διαφορετικές τοποθεσίες. Αυτό μπορεί να γίνει μετρώντας κάτι που ονομάζεται ογκομετρική ροή, που είναι η μέση ταχύτητα της ύλης σε μια δεδομένη σφαίρα, πυκνή ή όχι. Αυτό ποικίλλει ανάλογα με την ακτίνα της σφαίρας, με πρόσφατες παρατηρήσεις επίδειξη Αυτό συνεχίζεται έως και ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός.

Είναι ενδιαφέρον ότι η ογκώδης ροή των γαλαξιών σε αυτήν την κλίμακα τετραπλασίασε την ταχύτητα που αναμενόταν στο τυπικό μοντέλο. Φαίνεται επίσης να αυξάνεται με το μέγεθος της εξεταζόμενης περιοχής – σε αντίθεση με ό,τι προβλέπει το τυπικό μοντέλο. Η πιθανότητα αυτό να συνάδει με το τυπικό μοντέλο είναι μικρότερη από μία στο εκατομμύριο.

ένα πλευρικό οβάλ γεμάτο πράσινες και μπλε κηλίδες, με μερικές κίτρινες και κόκκινες κηλίδες επίσης.

ένα πλευρικό οβάλ γεμάτο πράσινες και μπλε κηλίδες, με μερικές κίτρινες και κόκκινες κηλίδες επίσης.

Αυτό μας οδήγησε να δούμε τι προέβλεψε η μελέτη μας για τη μαζική ροή. Διαπιστώσαμε ότι παράγει πολύ καλό ταίριασμα με τις παρατηρήσεις. Αυτό απαιτεί να είμαστε πολύ κοντά στο κέντρο του κενού και το κενό να είναι πιο άδειο στο κέντρο του.

Εκλεισε η υπόθεση?

Τα αποτελέσματά μας έρχονται σε α χρόνος όταν οι δημοφιλείς λύσεις για την ένταση του Hubble έχουν πρόβλημα. Κάποιοι πιστεύουν ότι απλά χρειαζόμαστε πιο ακριβείς μετρήσεις. Άλλοι πιστεύουν ότι αυτό μπορεί να λυθεί υποθέτοντας ότι ο υψηλός ρυθμός επέκτασης που μετράμε τοπικά είναι στην πραγματικότητα το σωστό. Αλλά αυτό απαιτεί μια μικρή προσαρμογή στην ιστορία της επέκτασης στο πρώιμο σύμπαν, έτσι ώστε το CMB να φαίνεται ακόμα σωστό.

Δυστυχώς, μια ανάλυση με επιρροή τονίζει επτά προβλήματα με αυτή την προσέγγιση. Εάν το σύμπαν επεκτεινόταν 10% γρηγορότερα σε όλη τη συντριπτική πλειονότητα της κοσμικής ιστορίας, θα ήταν επίσης περίπου 10% νεότερο – σε αντίθεση με την ιδέα ηλικίες από τα παλαιότερα αστέρια.

Η ύπαρξη ενός βαθιού και εκτεταμένου τοπικού χάσματος στον αριθμό των γαλαξιών και οι παρατηρούμενες γρήγορες εκροές υποδηλώνουν έντονα ότι η δομή αναπτύσσεται ταχύτερα από το αναμενόμενο στο ΛCDM σε κλίμακες από δεκάδες έως εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός.

Είναι ενδιαφέρον ότι γνωρίζουμε ότι το τεράστιο σμήνος γαλαξιών Ελ Γκόρντο σχηματίστηκε πολύ νωρίς στην κοσμική ιστορία και έχει πολύ υψηλή μάζα και ταχύτητα σύγκρουσης για να είναι συμβατή με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτό είναι περαιτέρω απόδειξη ότι η δομή σχηματίζεται πολύ αργά σε αυτό το μοντέλο.

Σχετικές ιστορίες:

— Υπάρχει ένα μυστήριο στον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble βρίσκεται στην υπόθεση

— Πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν; Νέα δεδομένα για σουπερνόβα θα μπορούσαν να βοηθήσουν να το ανακαλύψουμε

– Το «πρόβλημα Hubble» θα μπορούσε να βαθύνει με νέες μετρήσεις της διαστολής του σύμπαντος

Από βαρύτητα είναι η κυρίαρχη δύναμη σε τόσο μεγάλες κλίμακες, μάλλον θα χρειαστεί να επεκταθούμε Αϊνστάινθεωρία της βαρύτητας, Γενική σχετικότητα – αλλά μόνο σε ζυγαριά μεγαλύτερο από ένα εκατομμύριο έτη φωτός.

Ωστόσο, δεν έχουμε έναν καλό τρόπο μέτρησης του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρεται η βαρύτητα σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες – δεν υπάρχουν τόσο μεγάλα βαρυτικά δεσμευμένα αντικείμενα. Μπορούμε να υποθέσουμε ότι η Γενική Σχετικότητα παραμένει έγκυρη και να τη συγκρίνουμε με τις παρατηρήσεις, αλλά αυτή ακριβώς η προσέγγιση οδηγεί στις πολύ σοβαρές εντάσεις που αντιμετωπίζει αυτή τη στιγμή το καλύτερο μοντέλο θεωρίας μας. κοσμολογία.

Ο Αϊνστάιν πιστεύεται ότι είπε ότι δεν μπορούμε να λύσουμε προβλήματα με την ίδια σκέψη που οδήγησε στα προβλήματα εξαρχής. Ακόμα κι αν οι αλλαγές που χρειάζονται δεν είναι δραστικές, μπορεί κάλλιστα να είμαστε μάρτυρες των πρώτων αξιόπιστων αποδεικτικών στοιχείων εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα ότι πρέπει να αλλάξουμε τη θεωρία της βαρύτητας.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε από Η συζήτηση με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το πρωτότυπο άρθρο.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *