1 دسامبر 2023 -نوشته ایندرانیل بانیک، گفتگو-اعتبار: پابلو کارلوس بوداسی/ویکی پدیا، CC BY-SA
یکی از بزرگترین اسرار در کیهان شناسی سرعت انبساط جهان است. این را می توان با استفاده از مدل استاندارد کیهان شناسی، همچنین به عنوان ماده تاریک سرد لامبدا (ΛCDM) پیش بینی کرد. این مدل بر اساس مشاهدات دقیق نور باقی مانده از انفجار بزرگ – به اصطلاح پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) است.
انبساط جهان باعث می شود کهکشان ها از یکدیگر دور شوند. هر چه آنها از ما دورتر باشند، سریعتر حرکت می کنند. رابطه بین سرعت و فاصله کهکشان توسط ثابت هابل که حدود 43 مایل (70 کیلومتر) در ثانیه در هر مگاپارسک (یک واحد طول در نجوم) است، تنظیم می شود. این بدان معناست که یک کهکشان به ازای هر میلیون سال نوری که از ما دور است حدود 50000 مایل در ساعت سرعت می‌گیرد.
اما متأسفانه برای مدل استاندارد، این مقدار اخیراً مورد مناقشه قرار گرفته است و منجر به آنچه دانشمندان تنش هابل می‌نامند، شده است. وقتی نرخ انبساط را با استفاده از کهکشان‌ها و ابرنواخترهای نزدیک (ستاره‌های در حال انفجار) اندازه‌گیری می‌کنیم، 10 درصد بزرگتر از زمانی است که آن را بر اساس CMB پیش‌بینی می‌کنیم.
در مقاله جدید ما منتشر شده در ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم، یک توضیح ممکن را ارائه می دهیم: اینکه ما در یک فضای خالی غول پیکر در فضا زندگی می کنیم (منطقه ای با چگالی کمتر از متوسط). ما نشان می‌دهیم که این می‌تواند اندازه‌گیری‌های محلی را از طریق خروج ماده از فضای خالی متورم کند. زمانی که نواحی متراکم‌تر اطراف یک حفره آن را از هم جدا می‌کنند، جریان خروجی به وجود می‌آیند – آنها کشش گرانشی بزرگ‌تری نسبت به ماده با چگالی پایین‌تر در داخل حفره اعمال می‌کنند.
در این سناریو، ما باید در نزدیکی مرکز یک فضای خالی با شعاع حدود یک میلیارد سال نوری و با چگالی حدود 20 درصد کمتر از میانگین کل کیهان باشیم – بنابراین کاملاً خالی نباشیم.
چنین خلأ بزرگ و عمیقی در مدل استاندارد غیرمنتظره است و بنابراین بحث برانگیز است. CMB تصویری فوری از ساختار جهان نوزاد ارائه می‌کند، که نشان می‌دهد ماده امروزی باید به طور یکنواخت پخش شود. با این حال، شمارش مستقیم تعداد کهکشان ها در مناطق مختلف واقعاً نشان می دهد که ما در یک خلأ محلی هستیم.ما می‌خواستیم این ایده را با تطبیق مشاهدات مختلف کیهان‌شناسی با این فرض که در خلأ بزرگی زندگی می‌کنیم که از یک نوسان چگالی کوچک در زمان‌های اولیه رشد کرده بود، بیشتر آزمایش کنیم.برای انجام این کار، مدل ما ΛCDM را ترکیب نکرد، بلکه یک نظریه جایگزین به نام دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) را در خود جای داد.
MOND در ابتدا برای توضیح ناهنجاری‌ها در سرعت چرخش کهکشان‌ها پیشنهاد شد، که به پیشنهاد ماده‌ای نامرئی به نام «ماده تاریک» منجر شد. در عوض، MOND پیشنهاد می‌کند که این ناهنجاری‌ها را می‌توان با قانون گرانش نیوتن توضیح داد که وقتی کشش گرانشی بسیار ضعیف است، شکسته می‌شود – همانطور که در مناطق بیرونی کهکشان‌ها چنین است.
تاریخچه کلی انبساط کیهانی در MOND شبیه مدل استاندارد خواهد بود، اما ساختار (مانند خوشه‌های کهکشانی) در MOND سریعتر رشد می‌کند. مدل ما نشان می دهد که جهان محلی ممکن است در یک جهان MOND چگونه به نظر برسد. و ما دریافتیم که این امکان را به اندازه‌گیری‌های محلی نرخ انبساط امروز می‌دهد تا بسته به موقعیت مکانی ما نوسان کند.
مشاهدات اخیر کهکشان ها امکان آزمایش جدید و حیاتی مدل ما را بر اساس سرعت پیش بینی آن در مکان های مختلف فراهم کرده است. این را می توان با اندازه گیری چیزی به نام جریان توده ای انجام داد، که میانگین سرعت ماده در یک کره معین، متراکم یا غیر متراکم است. این با شعاع کره متفاوت است، مشاهدات اخیر نشان می دهد که تا یک میلیارد سال نوری ادامه دارد.
جالب اینجاست که جریان انبوه کهکشان ها در این مقیاس، سرعت مورد انتظار در مدل استاندارد را چهار برابر کرده است. همچنین به نظر می رسد با اندازه منطقه در نظر گرفته شده افزایش می یابد – برخلاف آنچه مدل استاندارد پیش بینی می کند. احتمال مطابقت این با مدل استاندارد زیر یک در میلیون است.
این ما را بر آن داشت تا ببینیم مطالعه ما برای جریان عمده چه پیش‌بینی کرده است. ما دریافتیم که مطابقت بسیار خوبی با مشاهدات دارد. این مستلزم آن است که ما نسبتاً به مرکز خالی نزدیک باشیم و فضای خالی در مرکز آن خالی ترین باشد.
نتایج ما در زمانی به دست می‌آیند که راه‌حل‌های رایج برای تنش هابل با مشکل مواجه هستند. برخی معتقدند که ما فقط به اندازه گیری های دقیق تری نیاز داریم. برخی دیگر فکر می‌کنند با فرض اینکه نرخ انبساط بالایی که به صورت محلی اندازه‌گیری می‌کنیم، واقعاً درست است، می‌توان آن را حل کرد. اما این نیاز به یک تغییر جزئی در تاریخچه انبساط در جهان اولیه دارد تا CMB هنوز درست به نظر برسد.
متأسفانه، یک بررسی تأثیرگذار هفت مشکل این رویکرد را برجسته می کند. اگر جهان در طول اکثریت قریب به اتفاق تاریخ کیهانی 10 درصد سریعتر منبسط می‌شد، حدود 10 درصد جوان‌تر می‌شد که با سن قدیمی‌ترین ستاره‌ها در تضاد است.وجود یک حفره محلی عمیق و گسترده در عدد کهکشان و سرعت بسیار مهم است.
جریان‌های توده‌ای مشاهده‌شده قویاً نشان می‌دهند که ساختار سریعتر از حد انتظار در ΛCDM در مقیاس‌های ده‌ها تا صدها میلیون سال نوری رشد می‌کند.
جالب اینجاست که می دانیم که خوشه کهکشانی عظیم ال گوردو خیلی زود در تاریخ کیهانی شکل گرفت و جرم و سرعت برخورد بسیار بالایی دارد که با مدل استاندارد سازگار نیست. این شواهد بیشتر نشان می دهد که ساختار در این مدل بسیار کند شکل می گیرد.
از آنجایی که گرانش نیروی غالب در چنین مقیاس های بزرگی است، ما به احتمال زیاد نیاز به گسترش نظریه گرانش اینشتین، نسبیت عام داریم – اما فقط در مقیاس های بزرگتر از یک میلیون سال نوری.
با این حال، ما هیچ راه خوبی برای اندازه‌گیری نحوه رفتار گرانش در مقیاس‌های بسیار بزرگتر نداریم – هیچ کدام از اجرام به این بزرگی محدود به لحاظ گرانشی وجود ندارد. می‌توان فرض کرد که نسبیت عام همچنان معتبر است و با مشاهدات مقایسه می‌کنیم، اما دقیقاً همین رویکرد است که منجر به تنش‌های بسیار شدیدی می‌شود که در حال حاضر بهترین مدل کیهان‌شناسی ما با آن مواجه است.گمان می رود انیشتین گفته است که ما نمی توانیم با همان تفکری که در وهله اول به مشکلات منجر شد، مشکلات را حل کنیم. حتی اگر تغییرات مورد نیاز شدید نباشد، ما می‌توانیم شاهد اولین شواهد قابل اعتماد برای بیش از یک قرن باشیم که نشان می‌دهد باید نظریه گرانش خود را تغییر دهیم.
