Взгляд в ночное небо
Глядя на ночное небо, может показаться, что наше космическое окружение наполнено планетами, звёздами и галактиками. Однако учёные давно предполагают, что в наших космических окрестностях может быть гораздо меньше галактик, чем ожидалось.
Жизнь в космической пустоте
На самом деле, похоже, мы живём в гигантской космической пустоте, где плотность материи примерно на 20% ниже средней.
Не все физики убеждены в этом, но наша недавняя статья, анализирующая искажённые звуки из ранней Вселенной, опубликованная в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», убедительно подтверждает эту идею.
Космологический кризис
Современная космология переживает кризис, известный как «напряжение Хаббла»: местная Вселенная, по-видимому, расширяется примерно на 10% быстрее, чем ожидалось.
Предсказанная скорость основана на экстраполяции наблюдений за младенческой Вселенной до наших дней с использованием стандартной модели космологии, известной как Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM).
Изучение ранней Вселенной
Мы можем наблюдать раннюю Вселенную в мельчайших деталях через космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — реликтовое излучение ранней Вселенной, когда она была в 1100 раз меньше, чем сейчас. Звуковые волны в ранней Вселенной в конечном итоге создали области с низкой и высокой плотностью, или температурой.
Изучая флуктуации температуры CMB в разных масштабах, мы можем, по сути, «слушать» звук ранней Вселенной, который особенно «шумный» на определённых масштабах. Эти флуктуации теперь запечатлены в CMB и получили название «барионные акустические колебания» (BAO).
Измерение расстояний и скоростей
Измеряя эти закономерности, мы можем узнать, как галактики группируются на разных красных смещениях (расстояниях). Особенно заметный паттерн со множеством скоплений возникает под углом, называемым «угловым масштабом BAO».
Это измерение в конечном итоге помогает астрономам и космологам узнать об истории расширения Вселенной, предоставляя то, что физики называют «стандартной линейкой». Это, по сути, астрономический объект или особенность на небе с хорошо известным размером.
Влияние пустоты на расширение Вселенной
Мы и наши коллеги ранее утверждали, что напряжение Хаббла может быть связано с нашим расположением внутри большой пустоты. Это связано с тем, что разрежённое количество материи в пустоте будет гравитационно притягиваться к более плотной материи за её пределами, непрерывно вытекающей из пустоты.
В предыдущих исследованиях мы показали, что этот поток создаст впечатление, будто местная Вселенная расширяется примерно на 10% быстрее, чем ожидалось. Это могло бы решить проблему напряжения Хаббла.
Но нам нужны были дополнительные доказательства. И мы знаем, что локальная пустота слегка исказит соотношение между угловым масштабом BAO и красным смещением из-за более быстрой движущейся материи в пустоте и её гравитационного воздействия на свет извне.
Тестирование модели пустоты
В нашей новой статье мы с Василиосом Калайтзидисом решили проверить предсказания модели пустоты, используя измерения BAO, собранные за последние 20 лет. Мы сравнили наши результаты с моделями без пустоты при той же фоновой истории расширения.
В модели пустоты линейка BAO должна выглядеть больше на небе при любом заданном красном смещении. И этот избыток должен стать ещё больше при низком красном смещении (близком расстоянии), что соответствует напряжению Хаббла.
Наблюдения подтверждают это предсказание. Наши результаты показывают, что Вселенная с локальной пустотой примерно в сто миллионов раз более вероятна, чем космос без неё, при использовании измерений BAO и предположении, что Вселенная расширялась в соответствии со стандартной моделью космологии, основанной на CMB.
Выводы
Наше исследование показывает, что модель ΛCDM без какой-либо локальной пустоты находится в «напряжении 3,8 сигма» с наблюдениями BAO. Это означает, что вероятность того, что Вселенная без пустоты соответствует этим данным, эквивалентна выпадению орла у честной монеты 13 раз подряд. Напротив, вероятность того, что данные BAO выглядят именно так в моделях пустоты, эквивалентна выпадению орла у честной монеты всего два раза подряд.
В будущем будет крайне важно получить более точные измерения BAO при низком красном смещении, где стандартная линейка BAO выглядит больше на небе — даже больше, если мы находимся в пустоте.