Um vácuo gigante divide o universo?

Os cosmólogos propõem um vácuo gigante no espaço como solução para a “tensão de Hubble”, desafiando os modelos tradicionais e sugerindo uma revisão da teoria da gravidade de Einstein.

Um dos maiores mistérios da cosmologia é a taxa de expansão do universo. Isto pode ser previsto usando o Modelo Padrão de Cosmologia, também conhecido como Matéria escura fria lambda (ΛCDM). Este modelo é baseado em observações detalhadas de luz residual a grande explosão – A chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).

A expansão do universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. Quanto mais longe eles estão de nós, mais rápido eles se movem. A relação entre a velocidade galáctica e a distância é governada pela “constante de Hubble”, que é de cerca de 43 milhas (70 km) por segundo por megaparsec (unidade de comprimento em astronomia). Isto significa que a galáxia Você ganha cerca de 50.000 milhas por hora Para cada milhão de anos-luz de distância de nós.

Infelizmente para o Modelo Padrão, este valor foi recentemente contestado, levando ao que os cientistas chamam de “Tensão de Hubble.” Quando medimos a taxa de expansão usando galáxias próximas e supernovas (estrelas em explosão), ela é 10% maior do que quando previmos com base na CMB.

Representação artística do vazio gigante e das cordas e paredes que o rodeiam. Crédito: Pablo Carlos Budasi

Na nossa Novo papelOferecemos uma explicação possível: que vivemos num vácuo gigante do espaço (uma região de densidade inferior à média). Mostramos que isso pode fazer com que as medições locais sejam amplificadas pelos fluxos de matéria do vazio. Os fluxos de saída podem surgir quando regiões mais densas ao redor de um vácuo o separam, exercendo uma força atrativa maior do que a matéria de menor densidade dentro do vácuo.

Neste cenário, precisaríamos de estar perto do centro de um vácuo com um raio de cerca de mil milhões de anos-luz e uma densidade cerca de 20% inferior à média do universo como um todo, ou seja, não completamente vazio.

Um vazio tão grande e profundo é inesperado no Modelo Padrão – e, portanto, controverso. A CMB dá uma ideia da estrutura do universo nascente, sugerindo que a matéria hoje deve estar espalhada de maneira bastante uniforme. No entanto, o número de galáxias em diferentes regiões é calculado diretamente Já está sugerido Estamos num vácuo local.

Modificando as leis da gravidade

Queríamos testar ainda mais esta ideia, combinando várias observações cosmológicas diferentes, assumindo que vivemos num grande vácuo que surgiu de pequenas flutuações de densidade em épocas iniciais.

Para fazer isso, temos modelo Não incluiu ΛCDM, mas uma teoria alternativa chamada dinâmica newtoniana modificada (Segunda-feira).

O MOND foi originalmente proposto para explicar anomalias nas velocidades de rotação das galáxias, o que levou à sugestão da existência de uma substância invisível chamada “matéria escura”. MOND sugere, em vez disso, que estas anomalias podem ser explicadas pela lei da gravitação de Newton, que falha quando a força da gravidade é demasiado fraca – como nas regiões exteriores das galáxias.

A história geral da expansão cósmica no MOND será semelhante ao Modelo Padrão, mas a estrutura (como os aglomerados de galáxias) crescerá mais rapidamente no MOND. Nosso modelo captura a aparência do universo local no universo MOND. Descobrimos que isso permitiria que as medições locais da taxa de expansão atual flutuassem dependendo da nossa localização.

Flutuações de temperatura CMB: Uma imagem detalhada de todo o céu do universo nascente, criada a partir de nove anos de dados WMAP, revelando flutuações de temperatura tão antigas quanto 13,77 bilhões de anos (mostradas em variações de cores). Crédito: Equipe Científica da NASA/WMAP

Observações recentes de galáxias permitiram um novo teste crucial do nosso modelo com base na velocidade que ele prevê em diferentes locais. Isso pode ser feito medindo o que chamamos de bulk flow, que é a velocidade média do material em uma determinada bola, seja ela densa ou não. Isso varia com o raio da bola, com Notas finais uma oferta Continua Para um bilhão de anos-luz.

Curiosamente, o fluxo massivo de galáxias nesta escala quadruplicou a velocidade esperada no Modelo Padrão. Também parecem aumentar com o tamanho da região em consideração, ao contrário do que prevê o Modelo Padrão. A probabilidade de que isto seja consistente com o Modelo Padrão é inferior a uma em um milhão.

Isso nos levou a ver o que nosso estudo de fluxo volumétrico previu. Descobrimos que produz muito bem corresponder Para as notas. Isto requer que estejamos bastante próximos do centro do vácuo e que o vácuo esteja mais vazio no seu centro.

Caso encerrado?

Nossos resultados chegam em um momento em que soluções comuns para o tensor de Hubble estão enfrentando problemas. Alguns acham que só precisamos de medições mais precisas. Outros acreditam que isso pode ser resolvido assumindo também a alta taxa de expansão que medimos localmente. Na verdade correto. Mas isto requer um ligeiro ajuste na história da expansão do universo primitivo para que a CMB ainda pareça correta.

Infelizmente, uma análise influente destaca sete problemas Com esta abordagem. Se o Universo se expandisse 10% mais rapidamente durante a grande maioria da história cósmica, também seria cerca de 10% mais jovem – o que contradiz a teoria prevalecente. Idades Uma das estrelas mais antigas.

A presença de um vazio local profundo e extenso nas populações de galáxias e os grandes fluxos rápidos observados sugerem fortemente que a estrutura está crescendo mais rápido do que o esperado no ΛCDM em escalas entre dezenas e centenas de milhões de anos-luz.

Esta é uma imagem do Telescópio Espacial Hubble do maior aglomerado de galáxias já visto quando o Universo tinha metade da sua idade atual de 13,8 mil milhões de anos. O aglomerado contém várias centenas de galáxias que se reúnem sob a influência da gravidade coletiva. Estima-se que a massa total do aglomerado, conforme refinado nas novas medições do Hubble, pese até 3 milhões de bilhões de estrelas como o nosso Sol (cerca de 3.000 vezes maior que a nossa Galáxia, a Via Láctea) – embora a maior parte da massa esteja escondida. Cataplasma escuro. A matéria escura está localizada na camada azul. Como a matéria escura não emite radiação, os astrónomos do Hubble mediram cuidadosamente como a sua gravidade distorce as imagens de galáxias distantes de fundo, como um espelho de casa de diversões. Isso lhes permitiu chegar a uma estimativa abrangente da massa. O aglomerado foi nomeado El Gordo (espanhol para “o gordo”) em 2012, quando observações de raios-X e estudos cinemáticos indicaram pela primeira vez que ele era incomumente massivo para a época em que existia no início do universo. Os dados do Hubble confirmaram que o aglomerado está passando por uma fusão violenta entre dois aglomerados menores. Fonte da imagem: NASA, ESA e J. Jee (Universidade da Califórnia, Davis)

Curiosamente, sabemos que o superaglomerado El Gordo (ver imagem acima) se formou Muito cedo Na história cósmica, tem massa e velocidade de colisão tão altas que não se enquadra no Modelo Padrão. Esta é mais uma evidência de que a estrutura se forma muito lentamente neste modelo.

Como a gravidade é a força dominante em escalas tão grandes, provavelmente precisaremos estender a teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral – mas apenas em escalas. Maior que um milhão de anos-luz.

No entanto, não temos uma boa maneira de medir como a gravidade se comporta em escalas muito maiores, uma vez que não existem objetos tão grandes ligados gravitacionalmente. Podemos assumir que a relatividade geral permanece válida e compará-la com as observações, mas é precisamente esta abordagem que leva às tensões extremas que o nosso melhor modelo de cosmologia enfrenta atualmente.

Acredita-se que Einstein disse que não podemos resolver problemas com o mesmo pensamento que levou aos problemas em primeiro lugar. Mesmo que as mudanças necessárias não sejam radicais, poderemos estar a ver a primeira evidência fiável em mais de um século de que precisamos de mudar a nossa teoria da gravidade.

Escrito por Indranil Panik, pesquisador de pós-doutorado em astrofísica, Universidade de St Andrews.

Adaptado de artigo publicado originalmente em Conversação.