Астрофизики предположили, что мы живем в гигантской пустоте

Одной из самых больших загадок в космологии является скорость, с которой расширяется Вселенная. Сейчас для определения этой скорости используют стандартную космологическую модель, также известную как лямбда-холодная темная материя (ΛCDM). Эта модель основана на подробных наблюдениях за светом, оставшимся после Большого взрыва, — так называемым космическим микроволновым фоном (CMB).

Расширение Вселенной заставляет галактики удаляться друг от друга. Чем дальше они от нас, тем быстрее они движутся. Взаимосвязь между скоростью галактики и расстоянием определяется "постоянной Хаббла", которая составляет около 70 км в секунду на мегапарсек (единица длины в астрономии). Это означает, что галактика набирает скорость около 80 000 километров 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, используя близлежащие галактики и сверхновые (взрывающиеся звезды), она на 10% больше, чем когда мы прогнозируем ее на основе CMB.

Астрофизики представили одно из возможных объяснений: мы живем в гигантской космической пустоте (области с плотностью ниже средней). Это может привести к завышению локальных измерений за счет оттока вещества из пустоты. Оттоки возникали бы, когда более плотные области, окружающие пустоту, разрывали бы ее на части — они оказывали бы большее гравитационное притяжение, чем материя меньшей плотности внутри пустоты.

В этом сценарии нам нужно было бы находиться вблизи центра пустоты радиусом около миллиарда световых лет и с плотностью примерно на 20% ниже средней по Вселенной в целом — то есть не совсем пустой.

Такая большая и глубокая пустота неожиданна в стандартной модели — и поэтому противоречива. Реликтовое излучение дает представление о структуре зарождающейся Вселенной, предполагая, что материя сегодня должна быть распределена довольно равномерно.

Однако прямой подсчет количества галактик в разных регионах действительно предполагает, что мы находимся в локальной пустоте.

Чтобы проверить эту идею, нужно сопоставить множество различных космологических наблюдений, доказав предположение, что мы живем в большой пустоте, которая выросла из-за небольших колебаний плотности в ранние времена.

Для этого модель должна включать не ΛCDM, а альтернативную теорию, называемую модифицированной ньютоновской динамикой (MOND).

Первоначально MOND был предложена для объяснения аномалий в скоростях вращения галактик, что и привело к предположению о невидимой субстанции, называемой "темной материей". Также MOND предполагает, что аномалии могут быть объяснены нарушением закона всемирного тяготения Ньютона, когда гравитационное притяжение очень слабое — как это имеет место во внешних областях галактик.

Расширение Вселенной в MOND было бы аналогично стандартной модели, но структура (например, скопления галактик) в MOND росла бы быстрее. Это позволило бы локальным измерениям скорости расширения сегодня колебаться в зависимости от нашего местоположения.

Недавние наблюдения за галактиками позволили провести новую критическую проверку этой модели, основанной на скорости, которую она предсказывает в разных точках. Было обнаружено, что наибольшее совпадение с наблюдениями получается, если предположить, что мы находимся близко к центру пустоты и пустота наиболее пуста в своем центре.

Но остается проблема с разницей в скорости. Некоторые астрофизики предположили, что та скорость расширения, которую мы измеряем локально, на самом деле является правильной. Но если это так, то требуется небольшая корректировка истории расширения ранней Вселенной, чтобы соответствовать наблюдаемому реликтовому излучению.

К сожалению, это подход имеет и существенные проблемы. Например, если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее, она также оказалась бы примерно на 10% моложе, что противоречит возрасту самых старых звезд.