Решение на една от големите мистерии на космологията

Скорошно проучване предполага, че „напрежението на Хъбъл“, несъответствие в измерванията на скоростта на разширяване на Вселената, може да бъде разрешено с помощта на алтернативната теория на MOND за гравитацията. Тази теория предполага, че разликите в локалната плътност на материята са отговорни за наблюдаваните несъответствия.

Проучването, проведено от университетите в Бон и Сейнт Андрюс, предлага възможно ново обяснение за трептенето на Хъбъл.

Вселената се разширява. Колко бързо е това се описва от така наречената константа на Хъбъл-Ламетър. Но има разногласия относно истинския размер на тази константа: различните методи на измерване предоставят противоречиви стойности. Това така наречено „напрежение на Хъбъл“ представлява мистерия за космолозите. Сега изследователи от университетите в Бон и Сейнт Андрюс предлагат ново решение: използвайки алтернативна теория за гравитацията, несъответствието в измерените стойности може лесно да се обясни – трептенето на Хъбъл изчезва. Проучването вече е публикувано в Месечни известия на Кралското астрономическо дружество (MNRAS).

Разбиране на разширяването на Вселената

Разширяването на Вселената кара галактиките да се отдалечават една от друга. Скоростта, с която правят това, е пропорционална на разстоянието между тях. Например, ако Галактика А е два пъти по-далеч от Земята, отколкото Галактика В, тогава нейното разстояние от нас също се увеличава два пъти по-бързо. Американският астроном Едуин Хъбъл беше един от първите, които разпознаха тази връзка.

За да се изчисли колко бързо се отдалечават две галактики една от друга, е необходимо да се знае колко далеч са една от друга. Това обаче също така изисква константа, по която трябва да се умножи това разстояние. Това е така наречената константа на Хъбъл-Ламетър, която е основен параметър в космологията. Стойността му може да се определи, например, като се разгледат много отдалечени региони на Вселената. Това дава скорост от около 244 000 километра в час в час мегапарсек Разстояние (един мегапарсек е малко над три милиона светлинни години).

(Синьо; жълтите точки представляват отделни галактики.) Млечният път (зелен) се намира в регион с малко материя. Галактиките в балона се движат към по-висока плътност на материята (червени стрелки). Следователно изглежда, че Вселената се разширява по-бързо вътре в балона. Източник на изображението: A.G. Krupa/Университет на Бон

Непоследователност в измерванията

„Но можете също да гледате небесни обекти, които са много по-близо до нас – така наречените супернови от клас 1A, които са особен тип експлодиращи звезди“, обяснява професор д-р Павел Крупа от Института за радиационна и ядрена физика Хелмхолц в Хелмхолц Университет. Университет в Бон. Възможно е много точно да се определи разстоянието на Supernova 1a до Земята. Знаем също, че ярките обекти променят цвета си, докато се отдалечават от нас и колкото по-бързо се движат, толкова по-силна е промяната. Това е подобно на линейка, чиито сирени звучат по-дълбоко, когато се отдалечават от нас.

Ако сега изчислим скоростта на свръхнова 1a от тяхното цветово изместване и свържем това с тяхното разстояние, ще стигнем до различна стойност за константата на Хъбъл-Ламетър – малко под 264 000 километра в час на милион парсек разстояние. „Изглежда, че Вселената се разширява по-бързо в нашата непосредствена близост – на разстояние от около три милиарда светлинни години – отколкото в нейната цялост“, казва Крупа. „А това наистина не трябва да е така.“

Наскоро обаче се появи наблюдение, което може да обясни това. Според това Земята се намира в регион на космоса, където има сравнително малко материя, което е като въздушно мехурче в торта. Плътността на материята е по-висока около мехура. Гравитационните сили излизат от този заобикалящ материал, който дърпа галактиките в балона към краищата на кухината. „Ето защо те се отдалечават от нас по-бързо от очакваното“, обяснява д-р Индранил Баник от университета Сейнт Андрюс. Следователно аномалиите могат да се обяснят просто с локален „спад на плътността“.

Всъщност друга изследователска група наскоро измери средната скорост на голям брой галактики на 600 милиона светлинни години. „Беше установено, че тези галактики се отдалечават от нас четири пъти по-бързо, отколкото позволява стандартният модел на космологията“, обяснява Сергей Мазуренко от изследователската група на Крупа, който участва в настоящото изследване.

Балон в тестото на вселената

Това е така, защото Стандартният модел не предвижда такива ниски плътности или „балончета“ – те всъщност не трябва да съществуват. Вместо това материалът трябва да бъде равномерно разпределен в пространството. Въпреки това, ако случаят беше такъв, би било трудно да се обяснят силите, които тласкат галактиките към тяхната висока скорост.

„Стандартният модел се основава на теорията на Алберт Айнщайн за природата на гравитацията“, казва Крупа. „Въпреки това, гравитационните сили може да се държат по различен начин, отколкото е предвидил Айнщайн.“ Работни групи от университетите в Бон и Сейнт Андрюс използваха модифицирана теория на гравитацията в компютърна симулация. Тази „модифицирана нютонова динамика“ (съкращение: MOND) беше предложена преди четири десетилетия от израелския физик професор д-р Мордехай Милгром. Все още се счита за външна теория и до днес. „В нашите изчисления MOND точно прогнозира съществуването на такива балони“, казва Крупа.

Ако се приеме, че гравитацията действително се държи според предположенията на Милгром, напрежението на Хъбъл ще изчезне: всъщност ще има само една константа за разширяването на Вселената и наблюдаваните отклонения ще се дължат на неправилно разпределение на материята.

Справка: „Едновременна разделителна способност на тензора на Хъбъл и наблюдавания обемен поток при 250 h − 1 MPa“ от Сергей Мазуренко, Индранел Баник, Павел Крупа и Мориц Хаселбауер, 02 ноември 2023 г., Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.
doi: 10.1093/manras/stad3357

Освен университета в Бон, в изследването са участвали още университетът Сейнт Андрюс (Шотландия) и Карловият университет в Прага (Чехия). Работата е финансирана от Съвета за научни и технологични съоръжения на Обединеното кралство.