Пустота в космосе: ключ к разгадке проблемы Хаббла и альтернатива темной материи

Вселенная расширяется. Это факт, который был установлен еще в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью, пропорциональной их расстоянию. Эта скорость называется постоянной Хаббла и является одним из ключевых параметров космологии.

Однако в последние годы постоянная Хаббла стала предметом ожесточенных споров между учеными. Разные методы измерения этой величины дают разные результаты, которые не согласуются друг с другом и с теоретическими ожиданиями. Это приводит к так называемому напряжению Хаббла — одной из самых больших загадок современной космологии.

Одно из возможных объяснений этого парадокса, предложено группой ученых из Великобритании и Израиля. Они утверждают, что мы живем в гигантской пустоте в космосе — области с ниже средней плотностью материи. Это может искажать наши локальные измерения скорости расширения Вселенной и приводить к расхождению с глобальными предсказаниями.

Стандартная модель космологии

Для того, чтобы понять, в чем состоит проблема Хаббла, нужно сначала ознакомиться с основами стандартной модели космологии. Эта модель, также известная как модель Лямбда-холодная темная материя (ΛCDM), описывает эволюцию и структуру Вселенной на основе общей теории относительности Эйнштейна и ряда допущений и параметров.

Одним из этих параметров является постоянная Хаббла, которая характеризует скорость расширения Вселенной в настоящее время. По определению, она равна скорости, с которой галактика удаляется от нас, деленной на расстояние до нее. Постоянная Хаббла измеряется в километрах в секунду на мегапарсек (единица длины в астрономии, равная около 3,26 миллиона световых лет). Согласно стандартной модели, она составляет около 70 км/с/Мпк.

Это значение можно предсказать, используя другой важный источник информации о Вселенной — космическое микроволновое фоновое излучение (КМИ). Это излучение, оставшееся от Большого взрыва, заполняет все пространство и несет в себе отпечаток состояния Вселенной в самые ранние эпохи ее истории. Изучая КМИ, мы можем восстановить параметры стандартной модели и проверить ее согласованность с наблюдениями.

Напряжение Хаббла

Однако, когда мы измеряем постоянную Хаббла, используя другие методы, основанные на более близких объектах, таких как галактики и сверхновые, мы получаем другое значение — около 74 км/с/Мпк. Это на 10% больше, чем предсказывает стандартная модель на основе КМИ. Это расхождение называется напряжением Хаббла и ставит под сомнение правильность нашего понимания Вселенной.

Существует много возможных объяснений этого парадокса, но ни одно из них не является удовлетворительным. Некоторые ученые считают, что это просто статистическая ошибка, которая исчезнет с улучшением точности измерений. Другие предполагают, что это свидетельствует о необходимости внести коррективы в стандартную модель, например, добавить новые виды материи или энергии или изменить законы гравитации.

Пустота в космосе

Одним из самых радикальных и оригинальных предложений является идея, что мы живем в гигантской пустоте в космосе. Пустота — это область с ниже средней плотностью материи, которая образуется в результате неоднородности распределения материи в Вселенной. Пустоты занимают большую часть объема Вселенной и окружены более плотными областями, где сконцентрированы галактики и скопления галактик.

Предположим, что мы находимся в центре такой пустоты, которая имеет радиус около миллиарда световых лет и плотность на 20% ниже средней. Тогда мы будем наблюдать, что галактики вокруг нас удаляются быстрее, чем ожидалось. Это связано с тем, что пустота подвергается оттоку материи — более плотные области притягивают материю из пустоты и разрывают ее. Этот эффект усиливается с расстоянием, так как плотность пустоты уменьшается к ее краям.

Таким образом, мы получаем искаженную картину расширения Вселенной, которая не соответствует глобальной модели. Это может объяснить, почему наши локальные измерения постоянной Хаббла выше, чем предсказывает стандартная модель на основе КМИ.

Альтернативная теория гравитации

Однако, чтобы сделать эту идею работоспособной, нужно сделать еще одно допущение. Нужно предположить, что стандартная модель космологии не справедлива, а вместо нее использовать альтернативную теорию гравитации, называемую модифицированная ньютоновская динамика (MOND).

MOND была предложена для альтернативного объяснения аномалий в скоростях вращения галактик, уходя от предположений о существовании невидимого вещества, называемого «темной материей». MOND вместо этого утверждает, что аномалии можно объяснить тем, что закон гравитации Ньютона нарушается, когда гравитационное притяжение очень слабое — как это бывает во внешних областях галактик.

В MOND история расширения Вселенной похожа на стандартную модель, но структура (например, скопления галактик) формируется быстрее. Это позволяет согласовать модель с наблюдениями, которые свидетельствуют о том, что мы живем в локальной пустоте, и что пустота имеет большой и быстрый поток материи — среднюю скорость материи в данной области.

Ученые, предложившие эту модель, провели ряд тестов, сравнивая ее с различными космологическими данными, такими как КМИ, распределение галактик, потоки галактик и другие. Они обнаружили, что модель дает довольно хорошее соответствие наблюдениям, если предположить, что мы находимся в центре глубокой и расширенной пустоты.

Заключение

Идея, что мы живем в гигантской пустоте в космосе, которая искажает наши измерения скорости расширения Вселенной, является одной из самых необычных и провокационных в космологии. Она требует отказа от стандартной модели и принятия альтернативной теории гравитации, которая нарушает закон Ньютона. Однако, она также предлагает интересный способ разрешить проблему напряжения Хаббла и согласовать разные методы измерения постоянной Хаббла.

Эта идея не лишена проблем и критики. Она сталкивается с трудностями в объяснении некоторых других космологических явлений, таких как линзирование гравитации, а также должна доказать существование такой большой и глубокой пустоты, которая противоречит предсказаниям стандартной модели. Кроме того, она подразумевает, что мы занимаем особое место во Вселенной, что нарушает принцип космологической однородности и изотропии.

В любом случае, эта идея заслуживает внимания и дальнейшего исследования, так как она демонстрирует, что космология все еще полна неизвестных и загадок, и что мы можем быть свидетелями революции в нашем понимании Вселенной.