Các nhà vũ trụ học đề xuất chân không khổng lồ trong không gian như một giải pháp cho “sức căng Hubble”, thách thức các mô hình truyền thống và đề xuất sửa đổi lý thuyết hấp dẫn của Einstein.

Một trong những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ học là tốc độ giãn nở của vũ trụ. Điều này có thể được dự đoán bằng cách sử dụng Mô hình vũ trụ chuẩn, còn được gọi là… Vật chất tối lạnh Lambda (ΛCDM). Mô hình này dựa trên những quan sát chi tiết về ánh sáng dư vụ nổ lớn – Cái gọi là nền vi sóng vũ trụ (CMB).

Sự giãn nở của vũ trụ khiến các thiên hà di chuyển ra xa nhau. Càng ở xa chúng ta, chúng di chuyển càng nhanh. Mối quan hệ giữa tốc độ và khoảng cách thiên hà được điều chỉnh bởi “hằng số Hubble”, tức là khoảng 43 dặm (70 km) mỗi giây trên megaparsec (đơn vị chiều dài trong thiên văn học). Điều này có nghĩa là thiên hà Bạn đạt được khoảng 50.000 dặm một giờ Cho mỗi triệu năm ánh sáng cách xa chúng ta.

Thật không may cho Mô hình Chuẩn, giá trị này gần đây đã bị tranh cãi, dẫn đến cái mà các nhà khoa học gọi là “Căng thẳng Hubble.” Khi chúng tôi đo tốc độ giãn nở bằng cách sử dụng các thiên hà và siêu tân tinh gần đó (sao nổ), nó lớn hơn 10% so với khi chúng tôi dự đoán dựa trên CMB.

Sự thể hiện nghệ thuật của khoảng trống khổng lồ cũng như những sợi dây và bức tường bao quanh nó. Tín dụng: Pablo Carlos Budasi

Trong của chúng tôi Giấy mớiChúng tôi đưa ra một lời giải thích khả dĩ: rằng chúng ta đang sống trong một chân không vũ trụ khổng lồ (một vùng có mật độ thấp hơn mức trung bình). Chúng tôi đã chỉ ra rằng điều này có thể dẫn đến các phép đo cục bộ được khuếch đại bởi các dòng vật chất từ ​​khoảng trống. Dòng chảy ra có thể phát sinh khi các vùng dày đặc hơn xung quanh chân không kéo nó ra xa nhau, tạo ra lực hấp dẫn lớn hơn vật chất có mật độ thấp hơn trong chân không.

Trong kịch bản này, chúng ta sẽ cần ở gần trung tâm của chân không có bán kính khoảng một tỷ năm ánh sáng và mật độ thấp hơn khoảng 20% ​​so với toàn bộ vũ trụ trung bình, tức là không hoàn toàn trống rỗng.

Khoảng trống lớn và sâu như vậy là điều bất ngờ trong Mô hình Chuẩn – và do đó gây tranh cãi. CMB cung cấp một bức ảnh chụp nhanh về cấu trúc của vũ trụ non trẻ, cho thấy rằng vật chất ngày nay phải phân bố khá đồng đều. Tuy nhiên, số lượng thiên hà ở các vùng khác nhau được tính trực tiếp Nó đã được đề xuất rồi Chúng tôi đang ở trong một chân không địa phương.

Sửa đổi định luật trọng lực

Chúng tôi muốn kiểm tra ý tưởng này sâu hơn bằng cách kết hợp một số quan sát vũ trụ khác nhau bằng cách giả định rằng chúng ta đang sống trong một chân không lớn hình thành từ những dao động mật độ nhỏ ở những thời điểm ban đầu.

Để làm điều này, chúng tôi có người mẫu Nó không bao gồm ΛCDM mà là một lý thuyết thay thế được gọi là động lực học Newton cải tiến (thứ hai).

MOND ban đầu được đề xuất để giải thích những dị thường trong vận tốc quay của các thiên hà, dẫn đến gợi ý về sự tồn tại của một chất vô hình gọi là “vật chất tối”. Thay vào đó, MOND đề xuất rằng những dị thường này có thể được giải thích bằng định luật hấp dẫn của Newton, định luật này bị phá vỡ khi lực hấp dẫn quá yếu – chẳng hạn như ở các vùng bên ngoài của các thiên hà.

Lịch sử giãn nở vũ trụ tổng thể trong MOND sẽ tương tự như Mô hình Chuẩn, nhưng cấu trúc (chẳng hạn như các cụm thiên hà) sẽ phát triển nhanh hơn trong MOND. Mô hình của chúng tôi ghi lại vũ trụ cục bộ trong vũ trụ MOND có thể trông như thế nào. Chúng tôi thấy rằng điều này sẽ cho phép các phép đo cục bộ về tốc độ mở rộng ngày nay dao động tùy thuộc vào vị trí của chúng tôi.

Biến động nhiệt độ CMB: Một hình ảnh chi tiết, toàn bộ bầu trời của vũ trụ non trẻ được tạo ra từ dữ liệu WMAP trong chín năm cho thấy sự dao động nhiệt độ cách đây 13,77 tỷ năm (thể hiện dưới dạng các biến thể màu sắc). Nhà cung cấp hình ảnh: Nhóm khoa học NASA/WMAP

Các quan sát thiên hà gần đây đã cho phép thực hiện một thử nghiệm quan trọng mới đối với mô hình của chúng tôi dựa trên tốc độ mà nó dự đoán ở các vị trí khác nhau. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đo cái gọi là dòng khối, là vận tốc trung bình của vật liệu trong một quả bóng nhất định, cho dù nó có đặc hay không. Điều này thay đổi theo bán kính của quả bóng, với Ghi chú cuối cùng một lời đề nghị Nó tiếp tục Đến một tỷ năm ánh sáng.

Điều thú vị là dòng chảy khổng lồ của các thiên hà ở quy mô này đã tăng gấp bốn lần tốc độ dự kiến ​​trong Mô hình Chuẩn. Chúng dường như cũng tăng theo quy mô của khu vực đang được xem xét, trái ngược với những gì Mô hình Chuẩn dự đoán. Xác suất để điều này phù hợp với Mô hình Chuẩn là dưới một phần triệu.

Điều này thôi thúc chúng tôi xem nghiên cứu của chúng tôi về dòng chảy khối đã dự đoán điều gì. Chúng tôi nhận thấy rằng nó tạo ra rất tốt cuộc thi đấu Để ghi chú. Điều này đòi hỏi chúng ta phải ở khá gần tâm của chân không và chân không phải trống hơn ở tâm của nó.

Trường hợp đóng cửa?

Kết quả của chúng tôi đến vào thời điểm các giải pháp phổ biến cho tensor Hubble đang gặp rắc rối. Một số người nghĩ rằng chúng ta chỉ cần những phép đo chính xác hơn. Những người khác tin rằng nó có thể được giải quyết bằng cách giả sử tốc độ mở rộng cao mà chúng tôi đo được tại địa phương Thực sự đúng. Nhưng điều này đòi hỏi một sự điều chỉnh nhỏ trong lịch sử giãn nở của vũ trụ sơ khai để CMB trông vẫn chính xác.

Thật không may, một đánh giá có ảnh hưởng đã nêu bật bảy các vấn đề Với cách tiếp cận này. Nếu vũ trụ giãn nở nhanh hơn 10% trong phần lớn lịch sử vũ trụ thì nó cũng sẽ trẻ hơn khoảng 10% – điều này mâu thuẫn với lý thuyết hiện hành. Lứa tuổi Một trong những ngôi sao lâu đời nhất.

Sự hiện diện của một khoảng trống cục bộ sâu, mở rộng trong số lượng thiên hà và các dòng chảy lớn nhanh được quan sát cho thấy rõ ràng rằng cấu trúc đang phát triển nhanh hơn dự kiến ​​trong ΛCDM ở quy mô từ hàng chục đến hàng trăm triệu năm ánh sáng.

Đây là hình ảnh từ Kính viễn vọng Không gian Hubble về cụm thiên hà lớn nhất từng được nhìn thấy khi vũ trụ mới bằng một nửa tuổi hiện tại là 13,8 tỷ năm. Cụm này chứa hàng trăm thiên hà tập hợp lại dưới tác động của lực hấp dẫn tập thể. Tổng khối lượng của cụm sao, như được tinh chỉnh trong các phép đo mới của Hubble, được ước tính nặng bằng 3 triệu tỷ ngôi sao như Mặt trời của chúng ta (lớn hơn khoảng 3.000 lần so với Thiên hà Ngân hà của chúng ta) – mặc dù phần lớn khối lượng bị ẩn đi. Thuốc đắp tối màu. Vật chất tối nằm trong lớp phủ màu xanh lam. Vì vật chất tối không phát ra bức xạ nên các nhà thiên văn học của Hubble đã đo lường cẩn thận mức độ hấp dẫn của nó làm biến dạng hình ảnh của các thiên hà ở xa giống như một tấm gương nhà kính. Điều này cho phép họ đưa ra ước tính toàn diện về khối lượng. Cụm sao này được đặt tên là El Gordo (tiếng Tây Ban Nha có nghĩa là “kẻ béo”) vào năm 2012 khi các quan sát tia X và nghiên cứu động học lần đầu tiên chỉ ra rằng nó có khối lượng lớn bất thường vào thời điểm vũ trụ sơ khai khi nó tồn tại. Dữ liệu của Hubble xác nhận rằng cụm này đang trải qua quá trình hợp nhất dữ dội giữa hai cụm nhỏ hơn. Nguồn hình ảnh: NASA, ESA và J. Jee (Đại học California, Davis)

Điều thú vị là chúng ta biết rằng siêu đám El Gordo (xem hình trên) đã hình thành Quá sớm Trong lịch sử vũ trụ, nó có khối lượng và tốc độ va chạm cao đến mức không phù hợp với Mô hình Chuẩn. Đây là bằng chứng nữa cho thấy cấu trúc hình thành rất chậm trong mô hình này.

Vì lực hấp dẫn là lực chiếm ưu thế trên những quy mô lớn như vậy, nên chúng ta có thể cần phải mở rộng lý thuyết hấp dẫn của Einstein, thuyết tương đối rộng – nhưng chỉ trên quy mô lớn. Lớn hơn một triệu năm ánh sáng.

Tuy nhiên, chúng ta không có cách nào tốt để đo lực hấp dẫn hoạt động như thế nào ở quy mô lớn hơn nhiều, vì không có vật thể nào bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn lớn như vậy. Chúng ta có thể cho rằng thuyết tương đối rộng vẫn còn giá trị và so sánh nó với các quan sát, nhưng chính cách tiếp cận này đã dẫn đến những căng thẳng cực độ mà mô hình vũ trụ học tốt nhất của chúng ta hiện đang phải đối mặt.

Người ta tin rằng Einstein đã nói rằng chúng ta không thể giải quyết vấn đề bằng chính lối suy nghĩ đã dẫn đến vấn đề ngay từ đầu. Ngay cả khi những thay đổi cần thiết không phải là triệt để, chúng ta có thể nhìn thấy bằng chứng đáng tin cậy đầu tiên trong hơn một thế kỷ rằng chúng ta cần thay đổi lý thuyết về lực hấp dẫn.

Viết bởi Indranil Panik, Nghiên cứu viên sau tiến sĩ về Vật lý thiên văn, Đại học St Andrews.

Chuyển thể từ một bài viết ban đầu được xuất bản trong Cuộc hội thoại.