巨大な真空が宇宙を分割するのか?

宇宙学者は、「ハッブル張力」の解決策として宇宙の巨大な真空を提案し、従来のモデルに挑戦し、アインシュタインの重力理論の修正を提案しています。

宇宙論における最大の謎の一つは、宇宙の膨張率です。 これは、宇宙論の標準モデル (別名宇宙論) を使用して予測できます。 ラムダ冷暗黒物質 (ΛCDM)。 このモデルは残留光の詳細な観察に基づいています 大爆発 – いわゆる宇宙マイクロ波背景放射 (CMB）。

宇宙の膨張により、銀河は互いに遠ざかります。 彼らは私たちから遠ざかるほど、より速く動きます。 銀河の速度と距離の関係は、「ハッブル定数」によって決まります。これは、メガパーセク (天文学における長さの単位) あたり毎秒約 43 マイル (70 km) です。 つまり、銀河系は 1 時間あたり約 50,000 マイル獲得します 私たちから100万光年離れたところごとに。

標準モデルにとって残念なことに、この値は最近論争があり、科学者が「 「ハッブル緊張」。 近くの銀河や超新星（爆発する星）を使って膨張率を測定すると、CMBに基づいて予測したときよりも10％大きくなりました。

巨大な空間とそれを囲む弦と壁の芸術的なレンダリング。 クレジット: パブロ・カルロス・ブダシ

私たちの中で 新しい用紙私たちは、考えられる説明の 1 つを提供します。それは、私たちが巨大な真空の宇宙 (平均より密度が低い領域) に住んでいるということです。 我々は、これにより、空隙からの物質の流れによって局所的な測定値が増幅される可能性があることを示しました。 流出は、真空を囲む密度の高い領域が真空を引き離し、真空内の低密度物質よりも大きな引力を発揮するときに発生することがあります。

このシナリオでは、半径約 10 億光年、密度が宇宙全体の平均より約 20% 低い、つまり完全に空ではない真空の中心近くにいる必要があります。

このような大きくて深い空隙は標準モデルでは予想外であるため、物議を醸しています。 CMB は初期の宇宙の構造のスナップショットを提供し、今日の物質はかなり均一に広がっているに違いないことを示唆しています。 ただし、さまざまな領域の銀河の数は直接計算されます。 すでに提案されています 私たちは局所的な空白の中にいます。

重力の法則を修正する

私たちは、初期の小さな密度変動から生じた大きな真空の中に私たちが住んでいると仮定して、いくつかの異なる宇宙論的観測を照合することで、この考えをさらにテストしたいと考えました。

これを行うには、 モデル これには ΛCDM は含まれていませんでしたが、修正ニュートン力学と呼ばれる代替理論が含まれていました (モンド）。

MOND はもともと銀河の回転速度の異常を説明するために提案され、「暗黒物質」と呼ばれる目に見えない物質の存在が示唆されるようになりました。 MONDは代わりに、これらの異常はニュートンの重力法則によって説明できると示唆しており、この法則は銀河の外側領域など重力が弱すぎる場合に破綻する。

MOND における全体的な宇宙膨張の歴史は標準モデルと似ていますが、構造 (銀河団など) は MOND の方がより速く成長します。 私たちのモデルは、MOND ユニバースのローカル ユニバースがどのように見えるかを捉えています。 これにより、今日の拡大率のローカルな測定値が場所に応じて変動する可能性があることがわかりました。

CMBの温度変動: 9 年間の WMAP データから作成された初期宇宙の詳細な全天画像で、137 億 7 千万年もの古い温度変動を明らかにしています (色の変化で表示)。 クレジット: NASA/WMAP 科学チーム

最近の銀河観測により、さまざまな場所での予測速度に基づいて、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、密度の高いかどうかにかかわらず、特定のボール内の材料の平均速度であるバルクフローと呼ばれるものを測定することによって行うことができます。 これはボールの半径によって異なります。 最終メモ 提案 それは続く 10億光年まで。

興味深いことに、この規模の銀河の大規模な流れは、標準模型で予想される速度の 4 倍でした。 また、標準モデルの予測に反して、検討対象の領域のサイズに応じて増加するように見えます。 これが標準モデルと一致する確率は 100 万分の 1 未満です。

このことから、バルクフローの研究で何が予測されるかを確認するようになりました。 非常に良い結果が得られることがわかりました マッチ メモに。 これには、真空の中心にかなり近く、真空の中心がより空であることが必要です。

事件は解決しましたか？

私たちの結果は、ハッブル テンソルに対する一般的なソリューションが問題に直面しているときに得られました。 もっと正確な測定が必要なだけだと考える人もいます。 また、現地で測定した高い膨張率を仮定することで問題を解決できると考える人もいます。 実は正しい。 しかし、CMB が依然として正しく見えるためには、初期宇宙の膨張履歴をわずかに調整する必要があります。

残念なことに、ある影響力のあるレビューでは 7 つの点が強調されています。 問題 このアプローチでは。 宇宙の歴史の大部分において宇宙が 10% 早く膨張した場合、宇宙は約 10% 若くなることになりますが、これは一般的な理論と矛盾します。 年齢 最古のスターの一人。

銀河集団における深く広がった局所的な空隙の存在と、観測された高速大規模な流出は、ΛCDM において数千万光年から数億光年のスケールで構造が予想よりも速く成長していることを強く示唆しています。

これは、宇宙の年齢が現在の 138 億年の半分だったときに、これまでに観察された最大の銀河団を写したハッブル宇宙望遠鏡の画像です。 この星団には、集団重力の影響下で集合する数百の銀河が含まれています。 新しいハッブル測定で精密化されたこの星団の総質量は、太陽のような恒星（天の川銀河の約3,000倍）300億個分もの重さがあると推定されているが、質量の大部分は隠されている。 濃い色の湿布。 暗黒物質は青いオーバーレイの中にあります。 暗黒物質は放射線を放出しないため、ハッブル天文学者は、その重力が遠くの背景銀河の画像を娯楽室の鏡のようにどのように歪ませるかを注意深く測定しました。 これにより、質量の包括的な推定値を導き出すことができました。 この星団は 2012 年にエル・ゴルド（スペイン語で「太ったもの」を意味する）と名付けられました。この星団は、X 線観測と運動学的研究によって、この星団が存在していた初期宇宙の時代としては異常に巨大であることが初めて示されました。 ハッブルのデータは、このクラスターが 2 つの小さなクラスター間で激しい合体を起こしていることを確認しました。 画像出典: NASA、ESA、J. ジー (カリフォルニア大学デイビス校)

興味深いことに、エル・ゴルド超銀河団 (上の画像を参照) が形成されたことがわかっています。 早すぎる 宇宙史上、標準模型に当てはまらないほどの質量と衝突速度を持っています。 これは、このモデルでは構造が非常にゆっくりと形成されるというさらなる証拠です。

このような大きなスケールでは重力が支配的な力であるため、おそらくアインシュタインの重力理論、一般相対性理論を拡張する必要がありますが、それはスケール上でのみです。 100万光年より大きい。

しかし、これほど大きな重力の影響を受ける物体は存在しないため、はるかに大きなスケールで重力がどのように動作するかを測定する良い方法がありません。 私たちは一般相対性理論が依然として有効であると仮定し、それを観測と比較することができますが、まさにこのアプローチこそが、私たちの最良の宇宙論モデルが現在直面している極度の緊張につながるのです。

アインシュタインは、そもそも問題を引き起こしたのと同じ考え方では問題を解決することはできない、と言ったと考えられています。 たとえ必要とされる変化が根本的ではないとしても、重力理論を変える必要があることを示す信頼できる証拠が、1世紀以上ぶりに現れる可能性がある。

セント・アンドルーズ大学天体物理学博士研究員インドラニル・パニック著。

に最初に掲載された記事を改​​作したもの 会話。