Одна из самых больших загадок космологии – скорость расширения Вселенной. Ее можно предсказать с помощью стандартной модели космологии, также известной как лямбда-холодная темная материя (ΛCDM). Эта модель основана на детальных наблюдениях за светом, оставшимся после Большого взрыва, – так называемым космическим микроволновым фоном (реликтовым излучением).
Расширение Вселенной заставляет галактики удаляться друг от друга. Чем дальше они от нас, тем быстрее они движутся. Связь между скоростью галактики и расстоянием определяется “постоянной Хаббла”, которая составляет около 70 км в секунду на мегапарсек (единица измерения длины в астрономии). Это означает, что скорость галактики увеличивается на 80 500 км в час за каждый миллион световых лет, на которые она удалена от нас.
Но, к сожалению для стандартной модели, это значение недавно было оспорено, что привело к тому, что ученые называют “напряжением Хаббла”. Когда мы измеряем скорость расширения с помощью близлежащих галактик и сверхновых (взрывающихся звезд), она оказывается на 10 % больше, чем если бы мы предсказывали ее на основе реликтового излучения.
В нашей статье мы представляем одно из возможных объяснений: мы живем в гигантской космической пустоте (области с плотностью ниже средней). Мы показываем, что это может увеличить локальные измерения за счет оттока материи из пустоты. Оттоки могут возникать, когда более плотные области, окружающие пустоту, разрывают ее – они оказывают большее гравитационное притяжение, чем материя с меньшей плотностью внутри пустоты.
В этом сценарии нам нужно было бы находиться недалеко от центра пустоты радиусом около миллиарда световых лет и с плотностью примерно на 20% ниже средней для Вселенной в целом, то есть не совсем пустой.
Такая большая и глубокая пустота неожиданна для стандартной модели – и поэтому вызывает споры. Реликтовое излучение дает представление о структуре младенческой Вселенной, предполагая, что сегодня материя должна быть распределена довольно равномерно. Однако прямой подсчет количества галактик в разных регионах действительно указывает на то, что мы находимся в локальной пустоте.
Изменение законов гравитации
Мы хотели проверить эту идею, сопоставив множество различных космологических наблюдений с предположением, что мы живем в большой пустоте, которая разрослась из небольшой флуктуации плотности в ранние времена.
Для этого в нашу модель была включена не ΛCDM, а альтернативная теория под названием “Модифицированная ньютоновская динамика” (MOND).
Изначально MOND была предложена для объяснения аномалий в скорости вращения галактик, что и привело к предположению о существовании невидимой субстанции, называемой “темной материей”. MOND же предполагает, что аномалии можно объяснить нарушением закона гравитации Ньютона, когда гравитационное притяжение очень слабое – как это происходит во внешних областях галактик.
Общая история космического расширения в MOND была бы похожа на стандартную модель, но структуры (такие как скопления галактик) в MOND росли бы быстрее. Наша модель отражает то, как может выглядеть локальная Вселенная в МОНД-вселенной. И мы обнаружили, что она позволяет локальным измерениям скорости расширения сегодня колебаться в зависимости от нашего местоположения.
Недавние наблюдения за галактиками позволили провести новую важную проверку нашей модели на основе скорости, которую она предсказывает в разных местах. Это можно сделать, измерив так называемый объемный поток, который представляет собой среднюю скорость материи в данной сфере, плотной или нет. Она зависит от радиуса сферы, и последние наблюдения показали, что скорость сохраняется на расстоянии до миллиарда световых лет.
Интересно, что скорость основного потока галактик в этом масштабе в четыре раза превышает скорость, предсказанную в стандартной модели. Кроме того, она, по-видимому, увеличивается с ростом размера рассматриваемой области – в противоположность тому, что предсказывает стандартная модель. Вероятность того, что это как-то согласуется со стандартной моделью, составляет менее одного к миллиону.
Это побудило нас посмотреть, что наше исследование предсказывает для объемного потока. Мы обнаружили, что оно довольно хорошо согласуется с наблюдениями.
Дело закрыто?
Наши результаты получены в то время, когда популярные решения проблемы хаббловского натяжения выглядят не очень хорошо. Некоторые считают, что нам просто нужны более точные измерения. Другие считают, что проблему можно решить, приняв высокую скорость расширения, которую мы измеряем на месте, за правильную. Но для этого нужно немного изменить историю расширения ранней Вселенной, чтобы реликтовое излучение по-прежнему выглядело правильно.
К сожалению, во авторитетном обзоре выделено семь проблем с этим подходом. Если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее на протяжении большей части космической истории, она была бы также примерно на 10% моложе – а это противоречит возрасту самых старых звезд.
Существование глубокой и протяженной локальной пустоты в подсчетах числа галактик и быстрые наблюдаемые объемные потоки убедительно свидетельствуют о том, что структура растет быстрее, чем ожидается в ΛCDM, в масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.
Интересно, что мы знаем, что массивное скопление галактик Эль Гордо образовалось слишком рано в космической истории и имеет слишком большую массу и скорость столкновения, чтобы быть соответствовать стандартной модели. Это еще одно доказательство того, что структура в этой модели формируется слишком медленно.
Поскольку гравитация является доминирующей силой на таких больших масштабах, нам, скорее всего, придется расширить теорию гравитации Эйнштейна, Общую теорию относительности, но только на масштабах, превышающих миллион световых лет.
Однако у нас нет хорошего способа измерить, как гравитация ведет себя в гораздо больших масштабах – просто нет гравитационно связанных объектов такого размера. Мы можем предположить, что Общая теория относительности остается в силе, и сравнить с наблюдениями, но именно такой подход приводит к серьезным противоречиям, с которыми сейчас сталкивается наша лучшая модель космологии.
Считается, что Эйнштейн сказал, что мы не можем решать проблемы с помощью того же мышления, которое привело к их возникновению. Даже если необходимые изменения не будут радикальными, мы вполне можем стать свидетелями первых за более чем столетие надежных доказательств того, что нам пора менять нашу теорию гравитации.
Индранил Баник, постдокторский научный сотрудник по астрофизике, Университет Сент-Эндрюс.
Читайте также: Зеркальная Вселенная: уже не научная фантастика?