一幅由暗物質和暗能量組成的網絡中星系的插圖顯示了引力透鏡的影響，藍綠色表示星系的空中可解真實位置和形狀，白色表示移動的宙膨脹“透鏡”形狀和位置。(圖片鳴謝:uux.cn/Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)
（神秘的難題地球uux.cn）據美國太空網（英德拉尼爾·巴尼克）：宇宙學中最大的謎團之一是宇宙膨脹的速度。這可以使用宇宙學的巨大決宇標準模型來預測，也稱為λ-冷暗物質(CDM)?？罩锌山膺@個模型是宙膨脹基于對大爆炸留下的光的詳細觀察——所謂的宇宙微波背景(CMB)。
宇宙的難題膨脹使得星系相互遠離。它們離我們越遠，巨大決宇移動得越快?？罩锌山庑窍档闹媾蛎浰俣群途嚯x之間的關系由“哈勃常數”決定，該常數約為每秒43英里(70公里)每兆帕秒(天文學中的難題長度單位)。這意味著一個星系每遠離我們一百萬光年，巨大決宇它的空中可解速度就會增加大約50，000英里。宙膨脹
但不幸的是，對于標準模型來說，這個值最近受到了爭議，導致了科學家們所說的“哈勃張力”。當我們使用附近的星系和超新星(爆炸的恒星)測量膨脹率時，它比我們根據CMB預測的膨脹率大10%。
在我們的新論文中，我們提出了一種可能的解釋:我們生活在太空中的一個巨大的虛空中(一個密度低于平均水平的區域)。我們證明，這可能會通過物質從虛空中流出而使局部測量值膨脹。當空洞周圍密度較高的區域將其拉開時，就會產生外流——它們會比空洞內密度較低的物質施加更大的引力。
在這種情況下，我們需要靠近一個半徑約10億光年、密度比整個宇宙的平均密度低20%的空洞的中心——所以不是完全空的。
如此大而深的空洞在標準模型中是意想不到的，因此也是有爭議的。CMB給出了嬰兒宇宙結構的快照，表明今天的物質應該相當均勻地分布。然而，直接計算不同區域的星系數量確實表明我們處在一個局部真空中。
扭曲萬有引力定律
我們想通過匹配許多不同的宇宙學觀測來進一步測試這個想法，假設我們生活在一個由早期的小密度波動發展而來的大空間中。
為了做到這一點，我們的模型沒有納入CDM，而是納入了一種稱為修正牛頓動力學(MOND)的替代理論。
MOND最初被提出來解釋星系旋轉速度的異常，這導致了一種叫做“暗物質”的不可見物質的建議。相反，蒙德提出，當引力非常弱時，這些異?，F象可以用牛頓引力定律失效來解釋——就像星系外圍區域的情況一樣。
MOND中的整體宇宙膨脹歷史將與標準模型相似，但結構(如星系團)將在MOND中增長得更快。我們的模型捕捉到了本地宇宙在MOND宇宙中的樣子。我們發現這將使得今天對膨脹速率的局部測量根據我們的位置而波動。
最近的星系觀測允許對我們的模型進行一個關鍵的新測試，該測試基于它在不同位置預測的速度。這可以通過測量所謂的整體流量來實現，整體流量是給定球體中物質的平均速度，無論是否致密。這隨著球體半徑的變化而變化，最近的觀測顯示它一直延續到十億光年。
有趣的是，這種規模的星系整體流動速度是標準模型預期速度的四倍。它似乎也隨著所考慮區域的大小而增加——與標準模型的預測相反。這與標準模型一致的可能性低于百萬分之一。

CMB溫度波動(色差)。(圖片鳴謝:uux.cn/美國國家航空航天局)
這促使我們去看看我們的研究對整體流動的預測。我們發現它與觀測結果非常吻合。那需要我們相當接近空的中心，而空在它的中心是最空的。
結案了？
我們的結果出現在解決哈伯張力的普遍方法陷入困境的時候。有些人認為我們只是需要更精確的測量。其他人認為，假設我們在當地測量的高膨脹率實際上是正確的，就可以解決這個問題。但是這需要對早期宇宙的膨脹歷史稍加調整，這樣CMB看起來仍然是正確的。
不幸的是，一篇頗具影響力的評論強調了這種方法的七個問題。如果在宇宙歷史的絕大部分時間里，宇宙膨脹速度加快10%,它也會年輕10%——這與最古老恒星的年齡相矛盾。
在星系數計數中存在深且擴展的局部空洞以及快速觀察到的整體流動強烈地表明，在CDM中，結構在幾千萬到幾億光年的尺度上比預期的增長得更快。
有趣的是，我們知道大質量星系團El Gordo在宇宙歷史中形成得太早，質量和碰撞速度太高，與標準模型不兼容。這進一步證明了在這個模型中結構形成得太慢。
由于引力是如此大尺度的主導力，我們很可能需要擴展愛因斯坦的引力理論——廣義相對論——但僅限于大于一百萬光年的尺度。
然而，我們沒有好的方法來測量重力在更大尺度上的表現——沒有那么大的受引力束縛的物體。我們可以假設廣義相對論仍然有效，并與觀測結果進行比較，但正是這種方法導致了我們最好的宇宙學模型目前面臨的非常嚴重的矛盾。
據說愛因斯坦說過，我們不能用最初導致問題的思維來解決問題。即使所需的變化并不劇烈，我們也很可能會目睹一個多世紀以來第一個可靠的證據，證明我們需要改變我們的引力理論。
本文原載于對話。該出版物向Space.com的“專家之聲:專欄和見解”投稿。Indranil Banik是圣安德魯斯大學天體物理學博士后研究員。

最新評論