دانشمندان یک فضای خالی بزرگ در کیهان را به عنوان راه حلی برای “تنش هابل” پیشنهاد می کنند، مشکلی که در درک کنونی ما از چگونگی انبساط جهان وجود دارد.
در کیهان شناسی، مطالعه کیهان، یکی از بزرگترین رازها این است که جهان با چه سرعتی منبسط می شود. دانشمندان از مدلی به نام ماده تاریک لامبدا سرد (ΛCDM) برای پیش‌بینی استفاده می‌کنند. این مدل متکی بر مشاهدات دقیق نور از انفجار بزرگ است که به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) شناخته می‌شود.
با انبساط جهان، کهکشان ها از یکدیگر دور می شوند. هر چه کهکشان از ما دورتر باشد، سریعتر حرکت می کند. رابطه بین سرعت یک کهکشان و فاصله آن با «ثابت هابل»، تقریباً ۴۳ مایل (۷۰ کیلومتر) در ثانیه در هر مگاپارسک (یک واحد در نجوم) توصیف شده است. این بدان معناست که یک کهکشان به ازای هر میلیون سال نوری که از ما دور است حدود ۵۰۰۰۰ مایل در ساعت سرعت می‌گیرد.
با این حال، اختلافات اخیر این ارزش را به چالش می کشد و چیزی را ایجاد می کند که دانشمندان آن را “تنش هابل” می نامند. وقتی نرخ انبساط را با استفاده از کهکشان‌های نزدیک و ستاره‌های در حال انفجار (ابرنواخترها) اندازه‌گیری می‌کنیم، ۱۰ درصد بیشتر از زمانی است که بر اساس CMB پیش‌بینی می‌شود.
در مقاله‌ای اخیر، دانشمندان توضیح احتمالی را پیشنهاد می‌کنند: ممکن است در یک فضای خالی بزرگ (یک خلاء) در جهان با چگالی کمتر از حد معمول زندگی کنیم. این خلأ می‌تواند بر اندازه‌گیری‌های محلی تأثیر بگذارد و باعث شود ماده از آن خارج شود. نواحی متراکم‌تر اطراف حفره می‌توانند آن را از هم جدا کنند و کشش گرانشی قوی‌تری نسبت به ماده کم‌تراکم داخل حفره اعمال کنند.
طبق این سناریو، ما باید در نزدیکی مرکز یک فضای خالی با عرض حدود یک میلیارد سال نوری با چگالی حدود ۲۰ درصد کمتر از میانگین کیهان باشیم – نه کاملاً خالی.
چالش ها و تناقض ها با مدل های استاندارد کیهانی
این ایده مدل استاندارد را به چالش می کشد و بحث برانگیز است. مشاهدات CMB نشان می دهد که امروز ماده باید به طور مساوی پخش شود. با این حال، شمارش کهکشان ها در مناطق مختلف نشان می دهد که ما ممکن است در یک خلاء محلی باشیم.
برای بررسی بیشتر این موضوع، دانشمندان این ایده را با استفاده از نظریه ای متفاوت از ACDM، به نام دینامیک نیوتنی اصلاح شده (MOND) آزمایش کردند. MOND در ابتدا برای توضیح سرعت چرخش غیرعادی کهکشان ها بدون ماده تاریک پیشنهاد شد. این پیشنهاد می کند که ناهنجاری ها را می توان با قانون گرانش نیوتن توضیح داد که وقتی کشش گرانشی بسیار ضعیف است، مانند نواحی بیرونی کهکشان ها شکسته می شود.
در مدل MOND، تاریخچه کلی انبساط کیهانی مشابه مدل استاندارد است، اما ساختارهایی مانند خوشه‌های کهکشانی سریعتر رشد می‌کنند. این مدل نشان می‌دهد که اندازه‌گیری‌های محلی نرخ انبساط امروزه می‌تواند بسته به موقعیت مکانی ما متفاوت باشد.
مشاهدات اخیر کهکشان ها این مدل را بر اساس سرعت پیش بینی شده در مکان های مختلف آزمایش کردند. این کار با اندازه‌گیری جریان حجیم، سرعت متوسط ماده در یک کره معین، چگال یا غیر متراکم، که با شعاع کره تغییر می‌کند، انجام شد. مشاهدات اخیر نشان می دهد که این تا یک میلیارد سال نوری ادامه دارد.
طبق این فرضیه سرعت انبساط جهان چقدر خواهد بود؟
با کمال تعجب، سرعت کهکشان‌ها در جریان حجمی در مقیاس بزرگ چهار برابر سریعتر از حد انتظار در مدل استاندارد است، و به نظر می‌رسد که با اندازه منطقه در نظر گرفته شده افزایش می‌یابد – برخلاف آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند. احتمال همسویی این مدل با مدل استاندارد بسیار کم است، زیر یک در میلیون.
این ما را بر آن داشت تا آنچه را که مطالعه ما برای جریان عمده پیش‌بینی کرده بود بررسی کنیم و متوجه شدیم که با مشاهدات مطابقت دارد. این نشان می دهد که ما به احتمال زیاد به مرکز فضای خالی نزدیک هستیم و فضای خالی در مرکز آن بیشتر خالی است.
در مورد تنش هابل، نتایج ما راه حل های رایج را به چالش می کشد. برخی فکر می کنند که اندازه گیری های دقیق تری مورد نیاز است، در حالی که برخی دیگر معتقدند که میزان انبساط بالای اندازه گیری شده به صورت محلی صحیح است. با این حال، این نیاز به تعدیل جزئی در تاریخچه انبساط اولیه کیهان دارد تا پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) ثابت بماند.
متأسفانه، یک بررسی کامل به هفت مشکل در این رویکرد اشاره می کند. اگر جهان در طول تاریخ خود ۱۰٪ سریعتر منبسط می شد، همچنین حدود ۱۰٪ جوانتر می شد که با سن قدیمی ترین ستاره ها در تضاد است.
وجود یک فضای خالی محلی عمیق در شمارش کهکشان‌ها و جریان‌های توده‌ای سریع مشاهده‌شده قویاً نشان می‌دهد که ساختار سریعتر از حد انتظار در ΛCDM در مقیاس‌های ده‌ها تا صدها میلیون سال نوری رشد می‌کند.
شایان ذکر است، خوشه کهکشانی عظیم ال گوردو خیلی زود شکل گرفته است و جرم و سرعت برخورد آن بسیار زیاد است که با مدل استاندارد مطابقت ندارد، که شواهد بیشتری را ارائه می دهد که ساختار بسیار کند در این مدل شکل می گیرد.
از آنجایی که گرانش نیروی غالب در چنین مقیاس های بزرگی است، به نظر می رسد لازم است نظریه گرانش انیشتین، نسبیت عام را گسترش دهیم، اما فقط در مقیاس های بزرگتر از یک میلیون سال نوری.
با این حال، اندازه‌گیری رفتار گرانش در مقیاس‌های بسیار بزرگتر چالش برانگیز است، زیرا هیچ اجرام گرانشی با آن اندازه وجود ندارد. در حالی که فرض نسبیت عام معتبر باقی می ماند و مقایسه آن با مشاهدات یک رویکرد رایج است، در بهترین مدل کیهان شناسی فعلی ما منجر به تنش های شدید می شود.
جمله معروف انیشتین که می‌گوید ما نمی‌توانیم مشکلات را با همان تفکری که باعث آنها شده است حل کنیم، نشان می‌دهد که، حتی اگر تغییرات مورد نیاز شدید نباشند، ممکن است شاهد اولین شواهد قابل اعتماد در بیش از یک قرن باشیم که نشان می‌دهد نیاز به تجدیدنظر در نظریه گرانش ما است.
منابع
