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我們生活在一個巨大的虛空中嗎？它可以解決宇宙膨脹的難題
發(fā)布時間：2025-12-10 03:56:30 來源：骨軟筋酥網(wǎng) 作者：焦點
一幅由暗物質(zhì)和暗能量組成的網(wǎng)絡(luò)中星系的插圖顯示了引力透鏡的影響，藍(lán)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(jù)美國太空網(wǎng)（英德拉尼爾·巴尼克）：宇宙學(xué)中最大的謎團(tuán)之一是宇宙膨脹的速度。這可以使用宇宙學(xué)的巨大決宇標(biāo)準(zhǔn)模型來預(yù)測，也稱為λ-冷暗物質(zhì)(CDM)。空中可解這個模型是宙膨脹基于對大爆炸留下的光的詳細(xì)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(yuǎn)離。它們離我們越遠(yuǎn)，巨大決宇移動得越快。空中可解星系的宙膨脹速度和距離之間的關(guān)系由“哈勃常數(shù)”決定，該常數(shù)約為每秒43英里(70公里)每兆帕秒(天文學(xué)中的難題長度單位)。這意味著一個星系每遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)模型來說，這個值最近受到了爭議，導(dǎo)致了科學(xué)家們所說的“哈勃張力”。當(dāng)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(jù)CMB預(yù)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(qū)域)。我們證明，這可能會通過物質(zhì)從虛空中流出而使局部測量值膨脹。當(dāng)空洞周圍密度較高的區(qū)域?qū)⑵淅_時，就會產(chǎn)生外流——它們會比空洞內(nèi)密度較低的物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)的快照，表明今天的物質(zhì)應(yīng)該相當(dāng)均勻地分布。然而，直接計算不同區(qū)域的星系數(shù)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(xué)觀測來進(jìn)一步測試這個想法，假設(shè)我們生活在一個由早期的小密度波動發(fā)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(xué)(MOND)的替代理論。
MOND最初被提出來解釋星系旋轉(zhuǎn)速度的異常，這導(dǎo)致了一種叫做“暗物質(zhì)”的不可見物質(zhì)的建議。相反，蒙德提出，當(dāng)引力非常弱時，這些異常現(xiàn)象可以用牛頓引力定律失效來解釋——就像星系外圍區(qū)域的情況一樣。
MOND中的整體宇宙膨脹歷史將與標(biāo)準(zhǔn)模型相似，但結(jié)構(gòu)(如星系團(tuán))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(fā)現(xiàn)這將使得今天對膨脹速率的局部測量根據(jù)我們的位置而波動。
最近的星系觀測允許對我們的模型進(jìn)行一個關(guān)鍵的新測試，該測試基于它在不同位置預(yù)測的速度。這可以通過測量所謂的整體流量來實現(xiàn)，整體流量是給定球體中物質(zhì)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(xù)到十億光年。
有趣的是，這種規(guī)模的星系整體流動速度是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期速度的四倍。它似乎也隨著所考慮區(qū)域的大小而增加——與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測相反。這與標(biāo)準(zhǔn)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?nèi)タ纯次覀兊难芯繉φw流動的預(yù)測。我們發(fā)現(xiàn)它與觀測結(jié)果非常吻合。那需要我們相當(dāng)接近空的中心，而空在它的中心是最空的。
結(jié)案了？
我們的結(jié)果出現(xiàn)在解決哈伯張力的普遍方法陷入困境的時候。有些人認(rèn)為我們只是需要更精確的測量。其他人認(rèn)為，假設(shè)我們在當(dāng)?shù)販y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(diào)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(qiáng)調(diào)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(shù)計數(shù)中存在深且擴(kuò)展的局部空洞以及快速觀察到的整體流動強(qiáng)烈地表明，在CDM中，結(jié)構(gòu)在幾千萬到幾億光年的尺度上比預(yù)期的增長得更快。
有趣的是，我們知道大質(zhì)量星系團(tuán)El Gordo在宇宙歷史中形成得太早，質(zhì)量和碰撞速度太高，與標(biāo)準(zhǔn)模型不兼容。這進(jìn)一步證明了在這個模型中結(jié)構(gòu)形成得太慢。
由于引力是如此大尺度的主導(dǎo)力，我們很可能需要擴(kuò)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(xiàn)——沒有那么大的受引力束縛的物體。我們可以假設(shè)廣義相對論仍然有效，并與觀測結(jié)果進(jìn)行比較，但正是這種方法導(dǎo)致了我們最好的宇宙學(xué)模型目前面臨的非常嚴(yán)重的矛盾。
據(jù)說愛因斯坦說過，我們不能用最初導(dǎo)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(jì)以來第一個可靠的證據(jù)，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(xué)天體物理學(xué)博士后研究員。
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