Un vuoto gigante divide l’universo?

I cosmologi propongono un gigantesco vuoto spaziale come soluzione alla “tensione di Hubble”, sfidando i modelli tradizionali e suggerendo una revisione della teoria della gravità di Einstein.

Uno dei più grandi misteri della cosmologia è il tasso di espansione dell’universo. Ciò può essere previsto utilizzando il Modello Standard della Cosmologia, noto anche come Lambda materia oscura fredda (ΛCDM). Questo modello si basa su osservazioni dettagliate della luce residua la grande esplosione – Il cosiddetto fondo cosmico a microonde (CMB).

L’espansione dell’universo fa sì che le galassie si allontanino le une dalle altre. Più sono lontani da noi, più velocemente si muovono. La relazione tra velocità e distanza galattica è governata dalla “costante di Hubble”, che è di circa 43 miglia (70 km) al secondo per megaparsec (unità di lunghezza in astronomia). Ciò significa che la galassia Guadagni circa 50.000 miglia all’ora Per ogni milione di anni luce di distanza da noi.

Sfortunatamente per il Modello Standard, questo valore è stato recentemente contestato, portando a quello che gli scienziati chiamano il “Tensione di Hubble.” Quando misuriamo il tasso di espansione utilizzando galassie e supernove vicine (stelle che esplodono), è maggiore del 10% rispetto a quando lo avevamo previsto in base alla CMB.

Rappresentazione artistica del vuoto gigante e delle corde e dei muri che lo circondano. Credito: Pablo Carlos Budasi

Nel nostro Nuova cartaOffriamo una possibile spiegazione: che viviamo in un gigantesco vuoto di spazio (una regione di densità inferiore alla media). Abbiamo dimostrato che ciò può portare a misurazioni locali amplificate dai flussi di materia provenienti dal vuoto. I deflussi possono verificarsi quando regioni più dense che circondano un vuoto lo separano, esercitando una forza attrattiva maggiore rispetto alla materia a densità inferiore all’interno del vuoto.

In questo scenario dovremmo trovarci vicino al centro di un vuoto con un raggio di circa un miliardo di anni luce e una densità inferiore di circa il 20% rispetto all’universo medio nel suo insieme, cioè non completamente vuoto.

Un vuoto così ampio e profondo è inaspettato nel Modello Standard – e quindi controverso. La CMB fornisce un’istantanea della struttura dell’universo nascente, suggerendo che la materia oggi deve essere distribuita in modo abbastanza uniforme. Tuttavia, il numero di galassie in diverse regioni viene calcolato direttamente È già suggerito Siamo in un vuoto locale.

Modificare le leggi di gravità

Volevamo testare ulteriormente questa idea confrontando diverse osservazioni cosmologiche e assumendo che viviamo in un grande vuoto derivante da piccole fluttuazioni di densità in epoche precoci.

Per fare questo, abbiamo modello Non includeva ΛCDM ma una teoria alternativa chiamata dinamica newtoniana modificata (Lunedì).

La MOND è stata originariamente proposta per spiegare le anomalie nelle velocità di rotazione delle galassie, che hanno portato a suggerire l’esistenza di una sostanza invisibile chiamata “materia oscura”. MOND suggerisce invece che queste anomalie possano essere spiegate dalla legge di gravitazione di Newton, che viene meno quando la forza di gravità è troppo debole, come nelle regioni esterne delle galassie.

La storia complessiva dell’espansione cosmica nella MOND sarà simile al Modello Standard, ma la struttura (come gli ammassi di galassie) crescerà più velocemente nella MOND. Il nostro modello cattura come potrebbe apparire l’universo locale nell’universo MOND. Abbiamo scoperto che ciò consentirebbe alle misurazioni locali del tasso di espansione odierno di fluttuare a seconda della nostra posizione.

Fluttuazioni della temperatura della CMB: Un’immagine dettagliata a tutto cielo dell’universo nascente creata da nove anni di dati WMAP che rivelano fluttuazioni di temperatura risalenti a 13,77 miliardi di anni (mostrate in variazioni di colore). Credito: team scientifico NASA/WMAP

Recenti osservazioni delle galassie hanno consentito un nuovo test cruciale del nostro modello basato sulla velocità prevista in diverse località. Questo può essere fatto misurando quello che viene chiamato flusso di massa, che è la velocità media del materiale in una data palla, che sia densa o meno. Questo varia con il raggio della palla, con Note finali un’offerta Continua Fino a un miliardo di anni luce.

È interessante notare che il massiccio flusso di galassie su questa scala ha quadruplicato la velocità prevista nel Modello Standard. Sembrano inoltre aumentare con la dimensione della regione considerata, contrariamente a quanto previsto dal Modello Standard. La probabilità che ciò sia coerente con il Modello Standard è inferiore a una su un milione.

Ciò ci ha spinto a vedere cosa prevedeva il nostro studio sul flusso di massa. Abbiamo scoperto che produce molto bene incontro Alle note. Ciò richiede che siamo abbastanza vicini al centro del vuoto e che il vuoto sia più vuoto al suo centro.

Caso chiuso?

I nostri risultati arrivano in un momento in cui le soluzioni comuni al tensore di Hubble si trovano in difficoltà. Alcuni pensano che abbiamo solo bisogno di misurazioni più precise. Altri credono che il problema possa essere risolto assumendo l’elevato tasso di espansione che misuriamo anche a livello locale Effettivamente corretto. Ma ciò richiede un leggero aggiustamento nella storia dell’espansione dell’universo primordiale affinché la CMB appaia ancora corretta.

Sfortunatamente, una recensione influente ne evidenzia sette i problemi Con questo approccio. Se l’universo si espandesse del 10% più velocemente durante la maggior parte della storia cosmica, sarebbe anche circa il 10% più giovane, il che contraddice la teoria prevalente. Età Una delle stelle più antiche.

La presenza di un vuoto locale profondo ed esteso nelle popolazioni delle galassie e i grandi deflussi veloci osservati suggeriscono fortemente che la struttura sta crescendo più velocemente del previsto nel ΛCDM su scale comprese tra decine e centinaia di milioni di anni luce.

Questa è un’immagine del telescopio spaziale Hubble del più grande ammasso di galassie mai visto quando l’universo aveva la metà della sua età attuale di 13,8 miliardi di anni. L’ammasso contiene diverse centinaia di galassie che si assemblano sotto l’influenza della gravità collettiva. Si stima che la massa totale dell’ammasso, come perfezionato nelle nuove misurazioni di Hubble, pesi fino a 3 milioni di miliardi di stelle come il nostro Sole (circa 3.000 volte più grandi della nostra Via Lattea), sebbene la maggior parte della massa sia nascosta. Impiastro scuro. La materia oscura si trova nello strato blu. Poiché la materia oscura non emette radiazioni, gli astronomi di Hubble hanno invece misurato attentamente il modo in cui la sua gravità distorceva le immagini delle galassie distanti sullo sfondo, come in uno specchio da luna park. Ciò ha permesso loro di elaborare una stima completa della massa. L’ammasso è stato chiamato El Gordo (spagnolo per “il grasso”) nel 2012, quando le osservazioni ai raggi X e gli studi cinematici hanno indicato per la prima volta che era insolitamente massiccio per l’epoca dell’universo primordiale in cui esisteva. I dati di Hubble hanno confermato che l’ammasso sta subendo una violenta fusione tra due ammassi più piccoli. Fonte immagine: NASA, ESA e J. Jee (Università della California, Davis)

È interessante notare che sappiamo che si è formato il superammasso El Gordo (vedi immagine sopra). Troppo presto Nella storia cosmica, ha una massa e una velocità di collisione così elevate da non rientrare nel Modello Standard. Questa è un’ulteriore prova che la struttura si forma molto lentamente in questo modello.

Poiché la gravità è la forza dominante su scale così grandi, probabilmente avremo bisogno di estendere la teoria della gravità di Einstein, la relatività generale, ma solo su larga scala. Più grande di un milione di anni luce.

Tuttavia, non abbiamo un buon modo per misurare il comportamento della gravità su scale molto più grandi, poiché non esistono oggetti legati gravitazionalmente così grandi. Possiamo supporre che la relatività generale rimanga valida e paragonarla alle osservazioni, ma è proprio questo approccio che porta alle tensioni estreme che il nostro miglior modello di cosmologia deve attualmente affrontare.

Si ritiene che Einstein abbia affermato che non possiamo risolvere i problemi con lo stesso modo di pensare che li ha originati. Anche se i cambiamenti richiesti non fossero radicali, potremmo vedere la prima prova attendibile in più di un secolo della necessità di cambiare la nostra teoria della gravità.

Scritto da Indranil Panik, ricercatore post-dottorato in astrofisica, Università di St Andrews.

Adattato da un articolo originariamente pubblicato in Conversazione.