Treibt allein ein riesiges Vakuum das Universum an?

Kosmologen schlagen einen riesigen Hohlraum im Weltraum als Lösung für die „Hubble-Spannung“ vor, was herkömmliche Modelle in Frage stellt und eine Überarbeitung von Einsteins Gravitationstheorie nahelegt.

Eines der großen Geheimnisse der Kosmologie ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Dies kann auch mit dem kosmologischen Konstantenmodell vorhergesagt werden Lambda-Kalte Dunkle Materie (ΛCDM). Das Modell basiert auf detaillierten Beobachtungen des vom Licht übrig gebliebenen Lichts Urknall – genannt kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMP)

Die Expansion des Universums führt dazu, dass sich Galaxien voneinander entfernen. Je weiter sie sich von uns entfernen, desto schneller bewegen sie sich. Das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Entfernung einer Galaxie wird durch die „Hubble-Konstante“ bestimmt, die 43 Meilen (70 km) pro Sekunde pro Megaparsec (eine astronomische Längeneinheit) beträgt. Es bedeutet eine Konstellation Hat eine Laufleistung von ca. 50.000 Meilen Es ist etwa jede Million Lichtjahre von uns entfernt.

Leider ist dieser Wert für das Standardmodell kürzlich umstritten, was Wissenschaftler zu einem Aufruf veranlasst „Die Hubble-Spannung.“ Wenn wir die Expansionsrate anhand nahegelegener Galaxien und Supernovae (explodierende Sterne) messen, ist sie 10 % höher als das, was wir basierend auf dem CMB vorhersagen.

Künstlerische Darstellung der riesigen Leere und der sie umgebenden Fäden und Wände. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi

unser Neues Papier, präsentieren wir eine mögliche Erklärung: Wir leben in einer riesigen Leere (einer Region mit unterdurchschnittlicher Dichte) im Weltraum. Wir zeigen, dass dies die lokalen Skalen steigern kann, indem Materie aus dem Vakuum entweicht. Die dichteren Bereiche um das Vakuum herum werden ausgestoßen, wenn es getrennt wird – sie üben eine größere Gravitationskraft aus als das weniger dichte Material im Inneren des Vakuums.

In diesem Szenario müssten wir uns in der Nähe des Zentrums der Leere befinden, einen Radius von einer Milliarde Lichtjahren haben und etwa 20 % weniger dicht sein als der Durchschnitt des Universums als Ganzes – also nicht völlig leer sein.

Ein solch großer und tiefer Hohlraum ist im Standardmodell unerwartet – und daher umstritten. Das CMP liefert eine Momentaufnahme der Struktur des Säuglingsuniversums und legt nahe, dass die Materie heute gleichmäßig verteilt sein sollte. Es berechnet jedoch direkt die Anzahl der Galaxien in verschiedenen Regionen Wirklich zu empfehlen Wir befinden uns in einem lokalen Vakuum.

Die Gesetze der Schwerkraft umkehren

Wir wollten diese Idee weiter testen, indem wir verschiedene kosmologische Beobachtungen an die Annahme anpassen, dass wir in einem großen Vakuum leben, das aus einer kleinen Dichteschwankung in frühen Zeiten entstand.

Um dies zu tun, unsere Modell beinhaltet nicht ΛCDM, sondern eine alternative Theorie namens modifizierte Newtonsche Mechanik (Montag)

MOND wurde zunächst vorgeschlagen, um die Anomalien in der Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien zu erklären, was zur Vermutung führte, dass es sich um eine unsichtbare Substanz handelt, die als „dunkle Materie“ bekannt ist. MOND schlägt vor, dass die Anomalien durch die Aufhebung des Newtonschen Gravitationsgesetzes erklärt werden können, wenn die Gravitationskraft sehr schwach ist – wie in den äußeren Regionen von Galaxien.

Die gesamte kosmische Expansionsgeschichte in MOND ähnelt dem Standardmodell, aber Strukturen (wie Galaxienhaufen) wachsen in MOND schneller. Unser Modell erfasst, wie das lokale Universum im MOND-Universum aussieht. Wir haben festgestellt, dass lokale Messungen der Expansionsrate heute je nach Standort Schwankungen zulassen.

CMB-Temperaturschwankungen: Ein detailliertes Gesamthimmelbild des Säuglingsuniversums, das aus neun Jahren WMAP-Daten erstellt wurde, zeigt Temperaturschwankungen (dargestellt als Farbunterschiede), die 13,77 Milliarden Jahre alt sind. Bildnachweis: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam

Jüngste Galaxienbeobachtungen haben einen wichtigen neuen Test unseres Modells im Hinblick auf vorhergesagte Geschwindigkeiten an verschiedenen Orten ermöglicht. Dies kann durch die Messung des sogenannten Massenflusses erreicht werden, der die durchschnittliche Geschwindigkeit der Materie, ob dicht oder nicht, in einer bestimmten Kugel darstellt. Sie variiert mit dem Radius der Kugel Aktuelle Beobachtungen zeigen Es geht weiter Bis zu einer Milliarde Lichtjahre.

Interessanterweise ist der Gesamtfluss von Galaxien dieser Größe viermal schneller als im Standardmodell erwartet. Im Gegensatz zu den Vorhersagen des statischen Modells scheint 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 für den Gesamtfluss vorhersagt. Wir fanden, dass es gute Ergebnisse lieferte übereinstimmen Für Beobachtungen. Dazu müssen wir uns sehr nahe am Zentrum der Leere befinden, und die Leere muss in ihrem Kern sehr leer sein.

Fall abgeschlossen?

Unsere Ergebnisse kommen zu einer Zeit, in der gängige Lösungen für die Hubble-Spannung in Schwierigkeiten geraten. Einige glauben, dass wir genauere Messungen benötigen. Andere glauben, dass es angesichts der hohen Expansionsrate, die wir vor Ort messen, gelöst werden kann Wirklich perfekt. Dies erfordert jedoch eine kleine Änderung in der Expansionsgeschichte des frühen Universums, sodass das CMB immer noch korrekt aussieht.

Leider wurden in einer einflussreichen Rezension sieben hervorgehoben Probleme Mit diesem Ansatz. Wenn sich das Universum 10 % schneller ausdehnen würde als der Großteil der kosmischen Geschichte, wäre es 10 % jünger – paradox. Perioden Primitive Sterne.

Das Vorhandensein einer tiefen und ausgedehnten lokalen Lücke in der Galaxienzahl und die schnellen beobachteten Gesamtflüsse deuten stark darauf hin, dass ΛCDM auf Skalen von mehreren zehn bis hunderten Millionen Lichtjahren schneller wächst als erwartet.

Dies ist ein Bild des Hubble-Weltraumteleskops der massereichsten Galaxien, die jemals gesehen wurden, als das Universum halb so alt war wie heute (13,8 Milliarden Jahre). Der Haufen besteht aus mehreren hundert Galaxien, die unter der kollektiven Schwerkraft umkreisen. Die in den neuen Hubble-Messungen verfeinerte Gesamtmasse des Clusters wiegt schätzungsweise etwa 3 Millionen Milliarden Sterne, die unserer Sonne ähneln (etwa 3.000 Mal größer als unsere eigene Milchstraßengalaxie) – obwohl ein Großteil der Masse verborgen ist. als dunkle Materie. Der Standort der Dunklen Materie ist in der blauen Überlagerung dargestellt. Da dunkle Materie keine Strahlung aussendet, können Hubble-Astronomen stattdessen genau messen, wie ihre Schwerkraft die Bilder entfernter Hintergrundgalaxien wie ein Funhouse-Spiegel verändert. Dadurch konnten wir eine Massenschätzung für den Cluster erstellen. Im Jahr 2012 erhielt der Sternhaufen den Spitznamen El Gordo (spanisch für „der Fette“), als Röntgenbeobachtungen und kinematische Studien erstmals darauf hindeuteten, dass er für seine Zeit im frühen Universum ungewöhnlich massiv war. Die Hubble-Daten bestätigten, dass der Cluster eine gewaltsame Verschmelzung zweier kleinerer Cluster durchläuft. Bildnachweis: NASA, ESA und J. Jee (University of California, Davis)

Interessanterweise wissen wir, dass der massereiche Galaxienhaufen El Gordo (siehe Bild oben) entstanden ist. Zu früh Die kosmische Geschichte weist zu viele Massen und Kollisionsgeschwindigkeiten auf, als dass sie mit dem Standardmodell kompatibel wäre. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass sich die Struktur in diesem Modell sehr langsam entwickelt.

Da auf solch großen Skalen die Schwerkraft vorherrscht, müssen wir Einsteins Gravitationstheorie auf die allgemeine Relativitätstheorie erweitern – allerdings nur auf Skalen. Größer als eine Million Lichtjahre.

Wir haben jedoch keine gute Möglichkeit, die Funktionsweise der Schwerkraft in sehr großen Maßstäben zu messen – es gibt keine Objekte, die durch massive Gravitationskräfte gebunden sind. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist gültig und mit Beobachtungen vergleichbar, aber genau dieser Ansatz führt zu den gravierendsten Spannungen, mit denen unser bestes kosmologisches Modell derzeit konfrontiert ist.

Einstein soll gesagt haben, dass Probleme nicht mit der gleichen Denkweise gelöst werden können, die sie überhaupt erst geschaffen hat. Obwohl die notwendigen Änderungen möglicherweise nicht drastisch sind, haben wir möglicherweise den ersten zuverlässigen Beweis seit mehr als einem Jahrhundert gesehen, dass wir unsere Theorie der Schwerkraft ändern müssen.

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

Angepasst an einen ursprünglich veröffentlichten Artikel Gespräch.