Teilt ein riesiges Vakuum das Universum?

Kosmologen schlagen ein riesiges Vakuum des Weltraums als Lösung für die „Hubble-Spannung“ vor, stellen traditionelle Modelle in Frage und schlagen eine Überarbeitung von Einsteins Gravitationstheorie vor.

Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Expansionsrate des Universums. Dies kann mithilfe des Standardmodells der Kosmologie, auch bekannt als: Lambda kalte dunkle Materie (ΛCDM). Dieses Modell basiert auf detaillierten Beobachtungen des Restlichts die große Explosion – Der sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB).

Die Expansion des Universums führt dazu, dass sich Galaxien voneinander entfernen. Je weiter sie von uns entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich. Die Beziehung zwischen galaktischer Geschwindigkeit und Entfernung wird durch die „Hubble-Konstante“ bestimmt, die etwa 43 Meilen (70 km) pro Sekunde pro Megaparsec (Längeneinheit in der Astronomie) beträgt. Das bedeutet, dass die Galaxie Sie gewinnen etwa 50.000 Meilen pro Stunde Für jede Million Lichtjahre von uns entfernt.

Unglücklicherweise für das Standardmodell wurde dieser Wert kürzlich umstritten, was zu dem führte, was Wissenschaftler nennen „Hubble-Spannung.“ Wenn wir die Expansionsrate anhand nahegelegener Galaxien und Supernovae (explodierende Sterne) messen, ist sie 10 % höher als bei unserer Vorhersage basierend auf dem CMB.

Künstlerische Darstellung der riesigen Leere und der sie umgebenden Schnüre und Wände. Bildnachweis: Pablo Carlos Budasi

In unserer Neues PapierWir bieten eine mögliche Erklärung an: dass wir in einem riesigen Vakuum des Weltraums leben (einer Region mit unterdurchschnittlicher Dichte). Wir haben gezeigt, dass dies dazu führen kann, dass lokale Messungen durch Materieflüsse aus dem Hohlraum verstärkt werden. Ausflüsse können entstehen, wenn dichtere Regionen um ein Vakuum herum dieses auseinanderziehen und dabei eine größere Anziehungskraft ausüben als die Materie mit geringerer Dichte im Vakuum.

In diesem Szenario müssten wir uns in der Nähe des Zentrums eines Vakuums mit einem Radius von etwa einer Milliarde Lichtjahren und einer Dichte befinden, die etwa 20 % geringer ist als die des durchschnittlichen Universums als Ganzes, also nicht völlig leer.

Eine solch große und tiefe Lücke ist im Standardmodell unerwartet – und daher umstritten. Das CMB liefert eine Momentaufnahme der Struktur des entstehenden Universums und legt nahe, dass die Materie heute ziemlich gleichmäßig verteilt sein muss. Die Anzahl der Galaxien in verschiedenen Regionen wird jedoch direkt berechnet Es wird bereits vorgeschlagen Wir befinden uns in einem lokalen Vakuum.

Änderung der Gesetze der Schwerkraft

Wir wollten diese Idee weiter testen, indem wir verschiedene kosmologische Beobachtungen abgleichten und dabei annahmen, dass wir in einem großen Vakuum leben, das aus kleinen Dichteschwankungen in frühen Epochen entstand.

Um dies zu tun, haben wir Modell Es enthielt kein ΛCDM, sondern eine alternative Theorie namens modifizierte Newtonsche Dynamik (Montag).

MOND wurde ursprünglich vorgeschlagen, um Anomalien in der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien zu erklären, was zu der Vermutung führte, dass es eine unsichtbare Substanz namens „Dunkle Materie“ gibt. MOND schlägt stattdessen vor, dass diese Anomalien durch das Newtonsche Gravitationsgesetz erklärt werden können, das zusammenbricht, wenn die Schwerkraft zu schwach ist – etwa in den äußeren Regionen von Galaxien.

Die gesamte kosmische Expansionsgeschichte in MOND wird dem Standardmodell ähneln, aber Strukturen (wie Galaxienhaufen) werden in MOND schneller wachsen. Unser Modell erfasst, wie das lokale Universum im MOND-Universum aussehen könnte. Wir haben festgestellt, dass dadurch die lokalen Messungen der heutigen Expansionsrate je nach Standort schwanken können.

CMB-Temperaturschwankungen: Ein detailliertes Bild des gesamten Himmels des entstehenden Universums, erstellt aus neun Jahren WMAP-Daten, das Temperaturschwankungen zeigt, die bis zu 13,77 Milliarden Jahre alt sind (dargestellt in Farbvariationen). Bildnachweis: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Jüngste Galaxienbeobachtungen haben einen entscheidenden neuen Test unseres Modells basierend auf der Geschwindigkeit ermöglicht, die es an verschiedenen Standorten vorhersagt. Dies kann durch die Messung des sogenannten Massenflusses erreicht werden, bei dem es sich um die durchschnittliche Geschwindigkeit des Materials in einer bestimmten Kugel handelt, unabhängig davon, ob diese dicht ist oder nicht. Dies variiert mit dem Radius der Kugel Schlussbemerkungen Breite Es geht weiter Auf eine Milliarde Lichtjahre.

Interessanterweise vervierfachte der massive Galaxienstrom dieser Größenordnung die im Standardmodell erwartete Geschwindigkeit. Im Gegensatz zu den Vorhersagen des Standardmodells scheinen sie auch mit der Größe der betrachteten Region zuzunehmen. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies mit dem Standardmodell übereinstimmt, liegt unter eins zu einer Million.

Dies veranlasste uns zu sehen, was unsere Studie zum Massenfluss vorhersagte. Wir haben festgestellt, dass es sehr gut produziert übereinstimmen Zu den Notizen. Dies erfordert, dass wir uns ziemlich nahe am Zentrum des Vakuums befinden und dass das Vakuum in seinem Zentrum leerer ist.

Fall abgeschlossen?

Unsere Ergebnisse kommen zu einer Zeit, in der gängige Lösungen für den Hubble-Tensor auf Schwierigkeiten stoßen. Manche meinen, wir bräuchten einfach genauere Messungen. Andere glauben, dass es gelöst werden kann, indem man von der hohen Expansionsrate ausgeht, die wir auch vor Ort messen Eigentlich richtig. Dies erfordert jedoch eine geringfügige Anpassung der Expansionsgeschichte des frühen Universums, damit das CMB immer noch korrekt aussieht.

Leider werden in einer einflussreichen Rezension sieben davon hervorgehoben Probleme Mit diesem Ansatz. Wenn sich das Universum während des größten Teils der kosmischen Geschichte um 10 % schneller ausdehnte, wäre es auch etwa 10 % jünger – was der vorherrschenden Theorie widerspricht. Alter Einer der ältesten Sterne.

Das Vorhandensein eines tiefen, ausgedehnten lokalen Hohlraums in Galaxienpopulationen und die beobachteten schnellen großen Ausflüsse deuten stark darauf hin, dass die Struktur im ΛCDM auf Skalen zwischen zehn und Hunderten Millionen Lichtjahren schneller wächst als erwartet.

Dies ist ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops des größten jemals gesehenen Galaxienhaufens, als das Universum halb so alt war wie heute (13,8 Milliarden Jahre). Der Haufen enthält mehrere hundert Galaxien, die sich unter dem Einfluss der kollektiven Schwerkraft zusammensetzen. Die durch neue Hubble-Messungen verfeinerte Gesamtmasse des Clusters wiegt schätzungsweise bis zu 3 Millionen Milliarden Sterne wie unsere Sonne (etwa 3.000 Mal größer als unsere Milchstraßengalaxie) – obwohl der größte Teil der Masse verborgen ist. Dunkler Umschlag. Die dunkle Materie befindet sich in der blauen Überlagerung. Da dunkle Materie keine Strahlung aussendet, haben Hubble-Astronomen sorgfältig gemessen, wie ihre Schwerkraft Bilder von entfernten Hintergrundgalaxien wie ein Funhouse-Spiegel verzerrt. Dies ermöglichte ihnen eine umfassende Schätzung der Masse. Der Sternhaufen erhielt 2012 den Namen El Gordo (spanisch für „der Dicke“), als Röntgenbeobachtungen und kinematische Studien erstmals darauf hindeuteten, dass er für die Zeit im frühen Universum, als er existierte, ungewöhnlich massiv war. Hubble-Daten bestätigten, dass der Cluster eine gewaltsame Fusion zweier kleinerer Cluster durchläuft. Bildquelle: NASA, ESA und J. Jee (Universität von Kalifornien, Davis)

Interessanterweise wissen wir, dass sich der Superhaufen El Gordo (siehe Bild oben) gebildet hat Zu früh In der kosmischen Geschichte hat es eine so hohe Masse und Kollisionsgeschwindigkeit, dass es nicht in das Standardmodell passt. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass sich die Struktur in diesem Modell sehr langsam bildet.

Da die Schwerkraft in so großen Maßstäben die dominierende Kraft ist, müssen wir wahrscheinlich Einsteins Gravitationstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie erweitern – allerdings nur auf Maßstäben. Größer als eine Million Lichtjahre.

Wir haben jedoch keine gute Möglichkeit, das Verhalten der Schwerkraft in viel größeren Maßstäben zu messen, da es keine so großen gravitativ gebundenen Objekte gibt. Wir können davon ausgehen, dass die allgemeine Relativitätstheorie weiterhin gültig ist, und sie mit Beobachtungen vergleichen, aber genau dieser Ansatz führt zu den extremen Spannungen, mit denen unser bestes Modell der Kosmologie derzeit konfrontiert ist.

Es wird angenommen, dass Einstein sagte, dass wir Probleme nicht mit der gleichen Denkweise lösen können, die zu den Problemen überhaupt erst geführt hat. Auch wenn die erforderlichen Änderungen nicht radikal sind, könnten wir den ersten zuverlässigen Beweis seit mehr als einem Jahrhundert sehen, dass wir unsere Theorie der Schwerkraft ändern müssen.

Geschrieben von Indranil Panik, Postdoktorandin für Astrophysik, University of St Andrews.

Angepasst an einen Artikel, der ursprünglich in veröffentlicht wurde Gespräch.