巨大な空虚が宇宙を分けていますか？

最近の宇宙論の「ハッブル張力」は、膨張率測定の衝突による標準宇宙モデルに対する疑問を提起しています。 新しい理論は、巨大で密度の低い空隙がこれらの不整合を説明できると仮定して、宇宙の物質分布に関する伝統的な見解に挑戦し、アインシュタインの重力理論の潜在的なチェックを提案します。

宇宙論者は、「ハッブル張力」に対する解決策として宇宙の巨大な空隙を提案し、既存のモデルに挑戦し、アインシュタインの重力理論に対する修正を提案します。

宇宙論の最大の謎の一つは、宇宙が膨張する速度です。 これは宇宙論の標準モデルを使って予測できます。 ラムダ低温暗黒物質（ΛCDM）。 このモデルは、光源からの残りの光を詳細に観察した結果に基づいて作成されました。 ビッグバン – いわゆる宇宙マイクロ波の背景（CMB）。

宇宙の膨張は銀河を互いに遠ざけるようにします。 私たちから離れるほど、より速く動きます。 銀河の速度と距離の関係は、メガパーセク（天文学の長さ単位）あたり毎秒約70kmの「ハッブル定数」によって決まります。 これは銀河系を意味します。 時速約50,000マイル増加 百万光年ごとに、それは私たちから離れています。

しかし、残念ながら、標準モデルの場合、この値は最近議論され、科学者 「ハッブル張力」 近くの銀河と超新星（爆発する星）を用いて膨張率を測定すると、CMBを基準に予測した時より10％ほど大きい。

巨大な空虚とそれを囲むフィラメントと壁の芸術家の概念。 クレジット: Pablo Carlos Budassi

私たちの 新しい紙、我々は1つの可能な説明を提示します。 私たちは、宇宙の巨大な空虚（平均密度より低い領域）に住んでいるということです。 我々は、これが空隙からの物質流出を通じて局所的測定を膨らませることができることを示している。 空隙を囲んでいる密度の高い領域がそれを分離すると流出が発生します。 空隙内部の密度が低い物質よりも大きな重力引力を発揮します。

このシナリオでは、半径が約10億光年で、密度が全宇宙平均より約20％低い空隙の中心付近にある必要があるため、完全に空ではありません。

このように大きく深いスペースは、標準モデルでは予想外のものなので、議論の余地があります。 CMBは幼児宇宙の構造に関する簡単な情報を提供し、今日の物質はいくらか均一に広がるべきであることを示唆しています。 しかし、異なる地域の銀河の数を直接計算することは、 実際に提案する 私たちは地元の空虚の中にいます。

重力の法則をねじる

私たちは、初期の小さな密度変動のために大きくなった巨大な空隙に私たちが住んでいると仮定して、さまざまな宇宙論的観察を一致させることによってこのアイデアをさらにテストしたいと思いました。

そのために モデル ΛCDMを統合せずに修正されたニュートンダイナミクス（Modified Newtonian Dynamics）という代替理論を統合しました（モンド）。

MONDはもともと銀河の回転速度の異常現象を説明するために提案されており、これにより「暗黒物質」とは見えない物質が提案された。 代わりに、MONDは、銀河の外側の領域のように、重力が非常に弱いときに崩壊するニュートンの重力法則によって異常現象を説明することができると提案しています。

MONDの全体的な宇宙拡張履歴は標準モデルと似ていますが、構造（銀河団など）はMONDでより急速に成長します。 私たちのモデルは、MOND宇宙から地元の宇宙がどのように見えるかを捉えます。 そして私たちは、今日の膨張率の地域測定が私たちの位置に応じて変動する可能性があることを発見しました。

CMB温度変動：9年間のWMAPデータで生成された幼児宇宙の詳細な全天写真は、137億7千万年前の温度変動を示します（色差で表示）。 出典：NASA / WMAP科学チーム

近年、銀河の観測を通じて、さまざまな場所で予測される速度に基づいて、我々のモデルの重要な新しいテストが可能になりました。 これは、密度があるかどうかにかかわらず、所与の球内の物質の平均速度であるバルク流であることを測定することによって達成することができる。 これは球の半径に依存します。 最近の観察 展示 続く 10億光年に達します。

興味深いことに、この規模の銀河の一括流量は、標準モデルで予想される速度の4倍です。 また、考慮された地域の大きさに応じて増加するようです。 これは標準モデルが予測するものとは反対です。 これが標準モデルと一致する可能性は百万分の1未満です。

これにより、私たちの研究でバルクフローについて予測した内容を確認することができました。 私たちはそれがかなり良い結果を生むことを発見しました マッチ 観察に。 そのためには、ボイドの中心にかなり近づき、ボイドの中心が最も空でなければなりません。

場合閉鎖？

私たちの結果は、ハッブル張力に対する一般的な解決策が問題に固執した時期にありました。 一部の人々は、より正確な測定が必要だと思います。 他の人たちは、私たちが地域的に測定した高い膨張率を仮定すると、問題が解決する可能性があると思います。 実際に正しい言葉。 しかし、これを行うには、初期の宇宙の拡張記録を少し調整しなければ、CMBはまだ正しく見えます。

残念ながら、影響力のあるレビューでは7つのことを強調しています。 問題 このアプローチで。 宇宙がほとんどの宇宙の歴史にわたって10％急速に膨張すると、宇宙の年齢も約10％より若くなります。 年齢 最も古い星の一つ。

銀河系の深く広がった局所的な空隙の存在と急速に観察されるバルク流は、構造が数千万から数億光年規模のΛCDMで予想以上に急速に成長することを強く示唆しています。

これは、宇宙が現在の年齢である138億年の半分に過ぎなかったときに存在していた最も巨大な銀河団のハッブル宇宙望遠鏡のイメージです。 この星団には、集団重力によって集められた数百の銀河が含まれています。 新しいハッブル観測で改善された星団の総質量は、私たちの太陽のような星（私たちの銀河の約3,000倍）に達する300億の星の重量と推定されます。 しかし、ほとんどの質量は隠されています。 暗黒物質として。 ダークマテリアルの位置は青いオーバーレイに表示されます。 暗黒物質は放射線を放射しないため、ハッブル天文学者は暗黒物質の重力がファンハウスミラーのように遠い背景の銀河のイメージをどのように歪めるかを正確に測定します。 これにより、クラスターの大量推定値を導出することができました。 この星団は2012年のX線観測と運動学研究を通じて、この星団が存在していた初期宇宙に比べると異常に巨大だったという事実を初めて示唆し、エルゴルド（スペイン語で「太ったもの」を意味する）というニックネームをつけました。 ハッブルデータは、この星団が2つの小さな星団の間で激しい合併を受けていることを確認しました。 出典：NASA、ESA、J. Jee（カリフォルニア大学デイビスキャンパス）

興味深いことに、私たちは巨大な銀河団El Gordo（上記の画像を参照）が形成されたことを知っています。 早すぎる 宇宙史上、標準モデルと互換性があるには、質量と衝突速度が高すぎます。 これは、このモデルで構造が遅すぎるというもう1つの証拠です。

このように大きな規模では重力が支配的な力なので、我々はアインシュタインの重力理論である一般相対性理論を拡張しなければならない可能性が高いです。 百万光年より大きい。

しかし、はるかに大きな規模で重力がどのように作用するかを測定する良い方法はありません。 重力によって拘束されたオブジェクトはそれほど大きくありません。 私たちは一般相対性理論が有効であると仮定して観測値と比較することができますが、私たちの最高の宇宙論モデルが現在直面している非常に深刻な緊張をもたらすのはまさにこのアプローチです。

アインシュタインは当初、問題を起こしたような考え方では問題を解決できないと言われたと考えられます。 必要な変化が急進的でなくても、私たちは重力理論を変えなければならないという信頼できる証拠を100年以上初めて目撃するでしょう。

著者Indranil Banik、セントアンドリュース大学天体物理学博士後研究者。

もともと出版された記事で脚色 会話。