거대한 진공이 우주를 나누나요?

우주론자들은 “허블 장력”에 대한 해결책으로 거대한 진공 공간을 제안하고, 전통적인 모델에 도전하고 아인슈타인의 중력 이론에 대한 수정을 제안합니다.

우주론의 가장 큰 미스터리 중 하나는 우주의 팽창 속도입니다. 이는 우주론의 표준모델(표준 우주론)을 사용하여 예측할 수 있습니다. 람다 차가운 암흑물질(ΛCDM). 이 모델은 잔광에 대한 상세한 관찰을 기반으로 합니다. 엄청난 폭발 – 소위 우주 마이크로파 배경(CMB).

우주가 팽창하면 은하계가 서로 멀어지게 됩니다. 우리에게서 멀어질수록 더 빨리 움직입니다. 은하 속도와 거리 사이의 관계는 메가파섹(천문학의 길이 단위)당 초당 약 70km인 “허블 상수”에 의해 제어됩니다. 즉 은하계는 시간당 약 50,000마일을 얻습니다. 우리로부터 백만 광년마다.

불행하게도 표준 모델의 경우 이 값은 최근에 논란이 되어 과학자들이 “허블 장력.” 근처 은하와 초신성(폭발하는 별)을 이용해 팽창률을 측정하면 CMB를 기준으로 예측했을 때보다 10% 정도 더 크다.

거대한 공간과 그것을 둘러싼 끈과 벽을 예술적으로 표현한 것입니다. 크레딧: Pablo Carlos Budasi

우리의 새로운 종이우리는 한 가지 가능한 설명을 제공합니다. 우리는 거대한 진공 공간(평균보다 낮은 밀도의 영역)에 살고 있다는 것입니다. 우리는 이것이 공극의 물질 플럭스에 의해 증폭되는 국지적 측정으로 이어질 수 있음을 보여주었습니다. 진공 주변의 밀도가 높은 영역이 진공을 끌어당겨 진공 내의 저밀도 물질보다 더 큰 인력을 발휘할 때 유출이 발생할 수 있습니다.

이 시나리오에서 우리는 반경이 약 10억 광년이고 밀도가 전체 우주보다 약 20% 낮은, 즉 완전히 비어 있지 않은 진공의 중심 근처에 있어야 합니다.

이렇게 크고 깊은 공백은 표준 모형에서는 예상치 못한 것이므로 논란의 여지가 있습니다. CMB는 초기 우주의 구조에 대한 간략한 정보를 제공하며 오늘날의 물질은 상당히 균일하게 퍼져 있어야 함을 시사합니다. 그러나 다른 지역의 은하 수는 직접 계산됩니다. 이미 제안된 내용입니다 우리는 지역적 진공 상태에 있습니다.

중력의 법칙 수정

우리는 초기 시대의 작은 밀도 변동으로 인해 발생한 큰 진공 상태에 우리가 살고 있다고 가정하여 여러 가지 우주론적 관찰을 일치시켜 이 아이디어를 더 테스트하고 싶었습니다.

이를 위해 우리는 모델 여기에는 ΛCDM이 포함되지 않았지만 수정된 뉴턴 역학(Modified Newtonian Dynamics)이라는 대안 이론이 포함되었습니다(몬드).

MOND는 원래 은하의 회전 속도의 이상 현상을 설명하기 위해 제안되었으며, 이는 “암흑 물질”이라는 보이지 않는 물질의 존재를 제안하게 되었습니다. 대신 MOND는 이러한 변칙 현상이 뉴턴의 중력 법칙으로 설명될 수 있다고 제안합니다. 뉴턴의 중력 법칙은 은하계 외부 영역과 같이 중력이 너무 약할 때 무너집니다.

MOND의 전반적인 우주 확장 내역은 표준 모델과 유사하지만 구조(예: 은하단)는 MOND에서 더 빠르게 성장합니다. 우리 모델은 MOND 우주의 지역 우주가 어떤 모습일지 포착합니다. 우리는 이것이 오늘날의 팽창률에 대한 지역 측정이 우리 위치에 따라 변동될 수 있다는 것을 발견했습니다.

CMB 온도 변동: 9년간의 WMAP 데이터를 통해 생성된 초기 우주의 상세한 전체 하늘 이미지로, 137억 7천만년 전의 온도 변동을 보여줍니다(색상 변화로 표시). 출처: NASA/WMAP 과학팀

최근 은하 관측을 통해 다양한 위치에서 예측되는 속도를 기반으로 우리 모델에 대한 중요한 새로운 테스트가 가능해졌습니다. 이는 밀도 여부에 관계없이 주어진 볼에 있는 물질의 평균 속도인 벌크 흐름을 측정하여 수행할 수 있습니다. 이는 공의 반경에 따라 달라집니다. 최종 메모 제안 계속된다 10억 광년까지.

흥미롭게도, 이 규모의 은하의 거대한 흐름은 표준 모델에서 예상되는 속도의 4배였습니다. 또한 표준 모델이 예측한 것과는 달리 고려 중인 지역의 크기에 따라 증가하는 것으로 보입니다. 이것이 표준모형과 일치할 확률은 100만분의 1 미만이다.

이를 통해 우리는 벌크 흐름에 대한 연구에서 예측한 내용을 확인하게 되었습니다. 우리는 그것이 매우 좋은 것을 생산한다는 것을 발견했습니다 성냥 메모에. 이를 위해서는 우리가 진공의 중심에 상당히 가까워야 하고 진공의 중심이 더 비어 있어야 합니다.

경우 폐쇄?

우리의 결과는 허블 텐서에 대한 일반적인 솔루션이 문제에 직면한 시기에 나왔습니다. 어떤 사람들은 좀 더 정확한 측정이 필요하다고 생각합니다. 다른 사람들은 우리가 지역적으로 측정한 높은 팽창률을 가정하면 문제가 해결될 수 있다고 생각합니다. 사실 맞다. 그러나 CMB가 여전히 올바르게 보이려면 초기 우주의 팽창 역사를 약간 조정해야 합니다.

불행하게도 한 영향력 있는 리뷰에서는 7가지를 강조했습니다. 문제 이 접근 방식을 사용합니다. 우주 역사의 대부분 동안 우주가 10% 더 빠르게 팽창했다면 우주의 나이도 약 10% 더 젊었을 것입니다. 이는 일반적인 이론과 모순됩니다. 연령 가장 오래된 별 중 하나입니다.

은하 개체군에 깊고 확장된 국부 공극이 존재하고 관찰된 빠르고 큰 유출은 ΛCDM의 구조가 수천만 광년에서 수억 광년 사이의 규모에서 예상보다 빠르게 성장하고 있음을 강력하게 시사합니다.

이것은 우주가 현재 나이인 138억년의 절반이었을 때 관측된 가장 큰 은하단의 허블 우주 망원경 이미지입니다. 성단에는 집단 중력의 영향을 받아 모이는 수백 개의 은하가 포함되어 있습니다. 새로운 허블 관측으로 개선된 성단의 전체 질량은 우리 태양과 같은 별(우리 은하수보다 약 3,000배 더 큼)에 달하는 300억 개의 별의 무게로 추산됩니다. 비록 질량의 대부분은 숨겨져 있지만 말입니다. 어두운 습포제. 암흑물질은 파란색 오버레이에 위치합니다. 암흑물질은 방사선을 방출하지 않기 때문에 허블 천문학자들은 암흑물질의 중력이 어떻게 먼 배경 은하계의 이미지를 펀하우스 거울처럼 왜곡하는지 주의 깊게 측정했습니다. 이를 통해 그들은 질량에 대한 포괄적인 추정을 할 수 있었습니다. 2012년 X선 관측과 운동학 연구를 통해 이 성단의 이름은 El Gordo(스페인어로 “뚱뚱한 것”을 뜻함)로 명명되었습니다. 당시 이 성단은 초기 우주에 존재했던 기간에 비해 비정상적으로 거대했음이 밝혀졌습니다. 허블 데이터는 이 성단이 두 개의 작은 성단 사이에서 격렬한 합병을 겪고 있음을 확인했습니다. 이미지 출처: NASA, ESA, J. 지(캘리포니아 대학교 데이비스)

흥미롭게도 우리는 엘 고르도 초은하단(위 이미지 참조)이 형성되었음을 알고 있습니다. 너무 이른 우주역사상 표준모형에 맞지 않을 정도로 질량과 충돌속도가 높다. 이는 이 모델에서 구조가 매우 느리게 형성된다는 추가 증거입니다.

중력은 이렇게 큰 규모에서 지배적인 힘이기 때문에 아인슈타인의 중력 이론, 일반 상대성 이론을 확장해야 할 필요가 있을 것입니다. 그러나 이는 규모에 대해서만 가능합니다. 백만 광년 이상.

그러나 중력에 의해 구속된 물체가 그렇게 크지 않기 때문에 훨씬 더 큰 규모에서 중력이 어떻게 작용하는지 측정할 수 있는 좋은 방법이 없습니다. 우리는 일반상대성이론이 유효하다고 가정하고 이를 관측과 비교할 수 있지만, 우리의 최고의 우주론 모델이 현재 직면하고 있는 극단적인 긴장을 초래하는 것은 바로 이러한 접근 방식입니다.

아인슈타인은 애초에 문제를 일으켰던 것과 같은 사고방식으로는 문제를 해결할 수 없다고 말했다고 합니다. 필요한 변화가 급진적이지 않더라도 우리는 중력 이론을 바꿔야 한다는 믿을 만한 증거를 100여 년 만에 처음으로 보게 될 수도 있습니다.

저자 Indranil Panik, 세인트 앤드루스 대학교 천체물리학 박사후 연구원.

원래 출판된 기사에서 각색됨 대화.