巨大的真空会把宇宙分开吗？

宇宙学家提出了巨大的空间真空作为“哈勃张力”的解决方案，挑战了传统模型，并建议对爱因斯坦的引力理论进行修订。

宇宙学中最大的谜团之一是宇宙的膨胀率。 这可以使用宇宙学标准模型来预测，也称为…… Lambda 冷暗物质 (ΛCDM)。 该模型基于对残余光的详细观察 大爆炸 – 所谓的宇宙微波背景（中巴）。

宇宙的膨胀导致星系彼此远离。 它们离我们越远，移动得越快。 银河速度和距离之间的关系受“哈勃常数”控制，该常数约为每秒每百万秒差距（天文学中的长度单位）43 英里（70 公里）。 这意味着银河系 您每小时可行驶约 50,000 英里 距离我们每百万光年。

不幸的是，对于标准模型来说，这个值最近引起了争议，导致了科学家所说的 “哈勃张力。” 当我们使用附近的星系和超新星（爆炸恒星）测量膨胀率时，它比我们根据 CMB 预测的膨胀率高 10%。

巨大虚空及其周围的弦线和墙壁的艺术渲染。 图片来源：巴勃罗·卡洛斯·布达西

在我们的 新文章我们提供一种可能的解释：我们生活在一个巨大的真空空间（密度低于平均水平的区域）。 我们已经证明，这可能导致局部测量被来自虚空的物质通量放大。 当真空周围较密集的区域将其拉开时，可能会出现外流，从而比真空内密度较低的物质施加更大的吸引力。

在这种情况下，我们需要靠近真空中心，半径约为 10 亿光年，密度比整个宇宙的平均密度低约 20%，即不是完全空的。

如此大而深的空隙在标准模型中是出乎意料的——因此也存在争议。 宇宙微波背景提供了新生宇宙结构的快照，表明今天的物质必须相当均匀地分布。 然而，不同区域的星系数量是直接计算的 已经建议了 我们处于局部真空中。

修改万有引力定律

我们想通过假设我们生活在一个由早期时期的小密度波动引起的大真空中，通过匹配几种不同的宇宙学观察来进一步测试这个想法。

为此，我们有 模型 它不包括 ΛCDM，而是一种称为修正牛顿动力学的替代理论（蒙德）。

MOND 最初是为了解释星系旋转速度的异常而提出的，这导致了一种被称为“暗物质”的不可见物质存在的建议。 相反，MOND 认为这些异常现象可以用牛顿万有引力定律来解释，当引力太弱时（例如在星系的外部区域），牛顿万有引力定律就会失效。

MOND 中的整体宇宙膨胀历史将与标准模型相似，但结构（例如星系团）在 MOND 中增长得更快。 我们的模型捕捉了 MOND 宇宙中的局部宇宙可能是什么样子。 我们发现，这将使今天的扩张率的本地测量值根据我们所在的位置而波动。

CMB温度波动：根据九年的 WMAP 数据创建的新生宇宙的详细全天空图像，揭示了长达 137.7 亿年的温度波动（以颜色变化显示）。 图片来源：NASA/WMAP 科学团队

最近的星系观测允许根据我们的模型在不同位置预测的速度对我们的模型进行重要的新测试。 这可以通过测量所谓的整体流量来完成，即给定球中材料的平均速度，无论球是否致密。 这随球的半径而变化， 最后的笔记 一份邀请 它继续 到十亿光年。

有趣的是，这种规模的大量星系流动是标准模型中预期速度的四倍。 它们似乎还随着所考虑区域的大小而增加，这与标准模型的预测相反。 这与标准模型一致的概率小于百万分之一。

这促使我们看看我们对整体流动的研究所预测的结果。 我们发现它的产量非常好 匹配 到笔记。 这要求我们相当接近真空的中心，并且真空的中心更加空旷。

案件结案了吗？

我们的结果是在哈勃张量的常见解决方案遇到麻烦的时候得出的。 有些人认为我们只需要更精确的测量。 其他人认为可以通过假设我们在本地测量的高扩张率来解决这个问题 其实是正确的。 但这需要对早期宇宙的膨胀历史进行轻微调整，宇宙微波背景看起来仍然正确。

不幸的是，一篇有影响力的评论强调了七个 问题 通过这种方法。 如果宇宙在绝大多数宇宙历史中膨胀速度快 10%，那么它的年龄也会年轻约 10%——这与流行的理论相矛盾。 年龄 最年长的明星之一。

星系群中存在的深层、扩展的局部空洞以及观测到的快速大量外流强烈表明，ΛCDM 中的结构在数千万到数亿光年的尺度上增长得比预期的要快。

这是哈勃太空望远镜拍摄的有史以来最大星系团的图像，当时宇宙年龄仅为当前 138 亿年年龄的一半。 该星团包含数百个在集体引力的影响下聚集的星系。 根据新的哈勃测量数据，该星团的总质量估计相当于 300 亿颗恒星，如我们的太阳（大约比我们的银河系大 3,000 倍）——尽管大部分质量被隐藏起来。 深色膏药。 暗物质位于蓝色覆盖层中。 由于暗物质不发射辐射，哈勃天文学家仔细测量了它的引力如何像游乐场镜子一样扭曲遥远背景星系的图像。 这使他们能够对质量进行全面的估计。 2012 年，X 射线观测和运动学研究首次表明，该星团在早期宇宙存在时的质量异常巨大，该星团被命名为 El Gordo（西班牙语，意为“胖子”）。 哈勃数据证实，该星团正在经历两个较小星团之间的剧烈合并。 图片来源：NASA、ESA 和 J. Jee（加州大学戴维斯分校）

有趣的是，我们知道埃尔戈多超星系团（见上图）已经形成 太早了 在宇宙历史上，它的质量和碰撞速度如此之高，以至于不符合标准模型。 这进一步证明该模型中的结构形成非常缓慢。

由于引力是如此大尺度上的主导力，我们可能需要扩展爱因斯坦的引力理论、广义相对论——但仅限于尺度上。 大于一百万光年。

然而，我们没有好的方法来测量重力在更大尺度上的行为，因为不存在那么大的受重力约束的物体。 我们可以假设广义相对论仍然有效，并将其与观测结果进行比较，但正是这种方法导致了我们最好的宇宙学模型目前面临的极端紧张。

人们相信爱因斯坦说过，我们不能用最初导致问题的相同思维来解决问题。 即使所需的改变不是根本性的，我们也可能会看到一个多世纪以来第一个可靠的证据，表明我们需要改变我们的引力理论。

作者：Indranil Panik，圣安德鲁斯大学天体物理学博士后研究员。

改编自最初发表于 对话。