我们生活在一个巨大的虚空中吗？它可以解决宇宙膨胀的难题

汪雨甘捍

一幅由暗物质和暗能量组成的网络中星系的插图显示了引力透镜的影响，蓝绿色表示星系的真实位置和形状，白色表示移动的“透镜”形状和位置。(图片鸣谢:Rubin OBS/noir lab/NSF/AURA/j . Pinto)

（媒体eeook.om）据美国太空网（英德拉尼尔·巴尼克）：宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀的速度。这可以使用宇宙学的标准模型来预测，也称为λ-冷暗物质(CDM)。这个模型是基于对大爆炸留下的光的详细观察——所谓的宇宙微波背景(CMB)。

宇宙的膨胀使得星系相互远离。它们离我们越远，移动得越快。星系的速度和距离之间的关系由“哈勃常数”决定，该常数约为每秒43英里(70公里)每兆帕秒(天文学中的长度单位)。这意味着一个星系每远离我们一百万光年，它的速度就会增加大约50，000英里。

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

在我们的新论文中，我们提出了一种可能的解释:我们生活在太空中的一个巨大的虚空中(一个密度低于平均水平的区域)。我们证明，这可能会通过物质从虚空中流出而使局部测量值膨胀。当空洞周围密度较高的区域将其拉开时，就会产生外流——它们会比空洞内密度较低的物质施加更大的引力。

在这种情况下，我们需要靠近一个半径约10亿光年、密度比整个宇宙的平均密度低20%的空洞的中心——所以不是完全空的。

如此大而深的空洞在标准模型中是意想不到的，因此也是有争议的。CMB给出了婴儿宇宙结构的快照，表明今天的物质应该相当均匀地分布。然而，直接计算不同区域的星系数量确实表明我们处在一个局部真空中。

扭曲万有引力定律

我们想通过匹配许多不同的宇宙学观测来进一步测试这个想法，假设我们生活在一个由早期的小密度波动发展而来的大空间中。

为了做到这一点，我们的模型没有纳入CDM，而是纳入了一种称为修正牛顿动力学(MOND)的替代理论。

MOND最初被提出来解释星系旋转速度的异常，这导致了一种叫做“暗物质”的不可见物质的建议。相反，蒙德提出，当引力非常弱时，这些异常现象可以用牛顿引力定律失效来解释——就像星系外围区域的情况一样。

MOND中的整体宇宙膨胀历史将与标准模型相似，但结构(如星系团)将在MOND中增长得更快。我们的模型捕捉到了本地宇宙在MOND宇宙中的样子。我们发现这将使得今天对膨胀速率的局部测量根据我们的位置而波动。

最近的星系观测允许对我们的模型进行一个关键的新测试，该测试基于它在不同位置预测的速度。这可以通过测量所谓的整体流量来实现，整体流量是给定球体中物质的平均速度，无论是否致密。这随着球体半径的变化而变化，最近的观测显示它一直延续到十亿光年。

有趣的是，这种规模的星系整体流动速度是标准模型预期速度的四倍。它似乎也随着所考虑区域的大小而增加——与标准模型的预测相反。这与标准模型一致的可能性低于百万分之一。



CMB温度波动(色差)。(图片鸣谢:美国国家航空航天局)

这促使我们去看看我们的研究对整体流动的预测。我们发现它与观测结果非常吻合。那需要我们相当接近空的中心，而空在它的中心是最空的。

结案了？

我们的结果出现在解决哈伯张力的普遍方法陷入困境的时候。有些人认为我们只是需要更精确的测量。其他人认为，假设我们在当地测量的高膨胀率实际上是正确的，就可以解决这个问题。但是这需要对早期宇宙的膨胀历史稍加调整，这样CMB看起来仍然是正确的。

不幸的是，一篇颇具影响力的评论强调了这种方法的七个问题。如果在宇宙历史的绝大部分时间里，宇宙膨胀速度加快10%,它也会年轻10%——这与最古老恒星的年龄相矛盾。

在星系数计数中存在深且扩展的局部空洞以及快速观察到的整体流动强烈地表明，在CDM中，结构在几千万到几亿光年的尺度上比预期的增长得更快。

有趣的是，我们知道大质量星系团El Gordo在宇宙历史中形成得太早，质量和碰撞速度太高，与标准模型不兼容。这进一步证明了在这个模型中结构形成得太慢。

由于引力是如此大尺度的主导力，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论——广义相对论——但仅限于大于一百万光年的尺度。

然而，我们没有好的方法来测量重力在更大尺度上的表现——没有那么大的受引力束缚的物体。我们可以假设广义相对论仍然有效，并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非常严重的矛盾。

据说爱因斯坦说过，我们不能用最初导致问题的思维来解决问题。即使所需的变化并不剧烈，我们也很可能会目睹一个多世纪以来第一个可靠的证据，证明我们需要改变我们的引力理论。

本文原载于对话。该出版物向Space.com的“专家之声:专栏和见解”投稿。Indranil Banik是圣安德鲁斯大学天体物理学博士后研究员。