Leben wir in einem riesigen Vakuum?  Untersuchungen legen nahe, dass dies das Rätsel der Expansion des Universums lösen könnte

Leben wir in einem riesigen Vakuum? Untersuchungen legen nahe, dass dies das Rätsel der Expansion des Universums lösen könnte

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Bildnachweis: Pablo Carlos Budasi / Wikipedia, CC BY-SA

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Eines der größten Geheimnisse der Kosmologie ist die Expansionsrate des Universums. Dies kann mithilfe des Standardmodells der Kosmologie, auch bekannt als…, vorhergesagt werden. Lambda kalte dunkle Materie (ΛCDM). Dieses Modell basiert auf detaillierten Beobachtungen des übriggebliebenen Lichts des Urknalls, des sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrunds (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 pro Million Lichtjahre, die sie sich von ihr entfernt, etwa 50.000 Meilen pro Stunde gewinnt.

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.

In unserer Neues Papier Veröffentlicht in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical SocietyWir 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.

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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 % niedriger 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 Modified Newtonian Dynamics (MOND).

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 einen Zusammenbruch des Newtonschen Gravitationsgesetzes erklärt werden können, wenn die Schwerkraft sehr schwach ist, beispielsweise 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.

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.

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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.

CMB-Temperaturschwankungen (Farbvariationen). Bildnachweis: NASA

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CMB-Temperaturschwankungen (Farbvariationen). Bildnachweis: NASA

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.

Es ist interessant, dass wir wissen, dass es sich um einen massereichen Galaxienhaufen handelt El Gordo gebildet 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.

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Da die Schwerkraft in solch großen Maßstäben die dominierende Kraft ist, müssten wir wahrscheinlich Einsteins Theorie der Schwerkraft und der Allgemeinen 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 gravitativ gebundenen Objekte dieser Größe 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.

Mehr Informationen:
Sergei Mazurenko et al., Gleichzeitige Lösung des Hubble-Tensors und des beobachteten Massenflusses während 250 h −1 Megaparsec, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (2023). doi: 10.1093/mnras/stad3357

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