Apakah ruang hampa raksasa membelah alam semesta?

Ahli kosmologi mengusulkan ruang hampa raksasa sebagai solusi terhadap “ketegangan Hubble”, menantang model tradisional dan menyarankan revisi teori gravitasi Einstein.

Salah satu misteri terbesar dalam kosmologi adalah laju perluasan alam semesta. Hal ini dapat diprediksi dengan menggunakan Model Standar Kosmologi, yang juga dikenal sebagai Materi gelap dingin Lambda (ΛCDM). Model ini didasarkan pada pengamatan rinci terhadap sisa cahaya ledakan besar itu – Yang disebut latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB).

Perluasan alam semesta menyebabkan galaksi-galaksi menjauh satu sama lain. Semakin jauh mereka dari kita, semakin cepat mereka bergerak. Hubungan antara kecepatan dan jarak galaksi diatur oleh “konstanta Hubble”, yaitu sekitar 43 mil (70 km) per detik per megaparsec (satuan panjang dalam astronomi). Artinya galaksi Anda mendapatkan sekitar 50.000 mil per jam Untuk setiap juta tahun cahaya jauhnya dari kita.

Sayangnya untuk Model Standar, nilai ini baru-baru ini diperdebatkan, sehingga menyebabkan apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai “Ketegangan Hubble.” Saat kami mengukur laju ekspansi menggunakan galaksi terdekat dan supernova (bintang yang meledak), angka tersebut 10% lebih besar dibandingkan saat kami memperkirakannya berdasarkan CMB.

Gambaran artistik dari kekosongan raksasa dan tali serta dinding yang mengelilinginya. Kredit: Pablo Carlos Budasi

Di kami Kertas baruKami menawarkan satu penjelasan yang mungkin: bahwa kita hidup di ruang hampa raksasa (wilayah dengan kepadatan lebih rendah dari rata-rata). Kami telah menunjukkan bahwa hal ini dapat menyebabkan pengukuran lokal diperkuat oleh fluks materi dari ruang hampa. Aliran keluar mungkin timbul ketika daerah yang lebih padat di sekitar ruang hampa menariknya hingga terpisah, sehingga memberikan gaya tarik yang lebih besar daripada materi dengan kepadatan lebih rendah di dalam ruang hampa.

Dalam skenario ini, kita harus berada di dekat pusat ruang hampa dengan radius sekitar satu miliar tahun cahaya dan kepadatan sekitar 20% lebih rendah dari rata-rata alam semesta secara keseluruhan, yaitu tidak sepenuhnya kosong.

Kekosongan yang begitu besar dan dalam tidak terduga dalam Model Standar – dan oleh karena itu kontroversial. CMB memberikan gambaran struktur alam semesta yang baru lahir, yang menunjukkan bahwa materi saat ini tersebar secara merata. Namun, jumlah galaksi di berbagai wilayah dihitung secara langsung Hal ini sudah disarankan Kita berada dalam kekosongan lokal.

Memodifikasi hukum gravitasi

Kami ingin menguji gagasan ini lebih jauh dengan mencocokkan beberapa observasi kosmologis yang berbeda dengan mengasumsikan bahwa kita hidup dalam ruang hampa besar yang muncul dari fluktuasi kepadatan kecil pada masa-masa awal.

Untuk melakukan ini, kita punya model Ini tidak mencakup ΛCDM tetapi teori alternatif yang disebut dinamika Newton yang dimodifikasi (Senin).

MOND awalnya diusulkan untuk menjelaskan anomali kecepatan rotasi galaksi, yang mengarah pada dugaan adanya zat tak kasat mata yang disebut “materi gelap”. MOND malah menyarankan bahwa anomali ini dapat dijelaskan dengan hukum gravitasi Newton, yang tidak berlaku ketika gaya gravitasi terlalu lemah – seperti di wilayah terluar galaksi.

Sejarah perluasan kosmik secara keseluruhan di MOND akan serupa dengan Model Standar, namun struktur (seperti gugus galaksi) akan tumbuh lebih cepat di MOND. Model kami menangkap seperti apa rupa alam semesta lokal di alam semesta MOND. Kami menemukan bahwa hal ini memungkinkan pengukuran lokal terhadap laju ekspansi saat ini berfluktuasi bergantung pada lokasi kami.

Fluktuasi suhu CMB: Gambar detail langit alam semesta yang baru lahir yang dibuat dari data WMAP selama sembilan tahun yang mengungkapkan fluktuasi suhu yang terjadi sejak 13,77 miliar tahun (ditampilkan dalam variasi warna). Kredit: Tim Sains NASA/WMAP

Pengamatan galaksi baru-baru ini memungkinkan pengujian baru yang penting terhadap model kami berdasarkan kecepatan yang diprediksi di lokasi berbeda. Hal ini dapat dilakukan dengan mengukur apa yang disebut aliran curah, yaitu kecepatan rata-rata material dalam suatu bola, baik padat maupun tidak. Ini bervariasi menurut jari-jari bola, dengan Catatan akhir sebuah penawaran Ini berlanjut Sampai satu miliar tahun cahaya.

Menariknya, aliran galaksi dalam skala besar ini meningkatkan kecepatan sebesar empat kali lipat yang diperkirakan dalam Model Standar. Jumlah tersebut juga tampak meningkat seiring dengan besarnya wilayah yang dipertimbangkan, berlawanan dengan perkiraan Model Standar. Kemungkinan bahwa hal ini konsisten dengan Model Standar adalah kurang dari satu dalam sejuta.

Hal ini mendorong kami untuk melihat prediksi studi kami tentang aliran massal. Kami telah menemukan bahwa hasilnya sangat bagus cocok Untuk catatan. Hal ini mengharuskan kita berada cukup dekat dengan pusat ruang hampa, dan ruang hampa harus lebih kosong di pusatnya.

Kasus ditutup?

Hasil kami diperoleh ketika solusi umum untuk tensor Hubble mengalami masalah. Beberapa orang berpikir kita hanya memerlukan pengukuran yang lebih tepat. Ada pula yang berpendapat bahwa masalah ini dapat diatasi dengan mengasumsikan tingginya tingkat ekspansi yang kita ukur secara lokal Sebenarnya benar. Namun hal ini memerlukan sedikit penyesuaian dalam sejarah perluasan alam semesta awal agar CMB tetap terlihat benar.

Sayangnya, satu ulasan berpengaruh menyoroti tujuh masalah Dengan pendekatan ini. Jika alam semesta mengembang 10% lebih cepat dalam sebagian besar sejarah kosmis, maka ia juga akan bertambah 10% lebih muda – dan hal ini bertentangan dengan teori yang ada. Usia Salah satu bintang tertua.

Adanya kekosongan lokal yang dalam dan meluas pada populasi galaksi dan aliran keluar galaksi yang sangat cepat menunjukkan bahwa struktur tumbuh lebih cepat dari yang diperkirakan dalam ΛCDM dalam skala antara puluhan dan ratusan juta tahun cahaya.

Ini adalah gambar gugus galaksi terbesar yang pernah dilihat oleh Teleskop Luar Angkasa Hubble saat alam semesta berusia setengah dari usianya saat ini, yaitu 13,8 miliar tahun. Cluster ini berisi beberapa ratus galaksi yang berkumpul di bawah pengaruh gravitasi kolektif. Massa total gugus tersebut, sebagaimana disempurnakan dalam pengukuran baru Hubble, diperkirakan memiliki berat sebanyak 3 juta miliar bintang seperti Matahari kita (sekitar 3.000 kali lebih besar dari Galaksi Bima Sakti kita) – meskipun sebagian besar massanya tersembunyi. tapal gelap. Materi gelap terletak di hamparan biru. Karena materi gelap tidak memancarkan radiasi, para astronom Hubble dengan cermat mengukur bagaimana gravitasinya mendistorsi gambar galaksi di latar belakang yang jauh seperti cermin rumah funhouse. Hal ini memungkinkan mereka untuk menghasilkan perkiraan massa yang komprehensif. Gugus ini diberi nama El Gordo (bahasa Spanyol untuk “yang gemuk”) pada tahun 2012 ketika pengamatan sinar-X dan studi kinematik pertama kali menunjukkan bahwa gugus tersebut luar biasa masif pada masa awal alam semesta ketika gugus tersebut ada. Data Hubble mengonfirmasi bahwa cluster tersebut sedang mengalami penggabungan hebat antara dua cluster yang lebih kecil. Sumber gambar: NASA, ESA, dan J. Astaga (Universitas California, Davis)

Menariknya, kita mengetahui bahwa superkluster El Gordo (lihat gambar di atas) telah terbentuk Terlalu dini Dalam sejarah kosmik, ia memiliki massa dan kecepatan tumbukan yang sangat tinggi sehingga tidak sesuai dengan Model Standar. Ini merupakan bukti lebih lanjut bahwa struktur terbentuk sangat lambat dalam model ini.

Karena gravitasi adalah gaya dominan pada skala besar, kita mungkin perlu memperluas teori gravitasi Einstein, relativitas umum – tetapi hanya pada skala. Lebih besar dari satu juta tahun cahaya.

Namun, kita tidak memiliki cara yang baik untuk mengukur perilaku gravitasi pada skala yang jauh lebih besar, karena tidak ada benda yang terikat secara gravitasi sebesar itu. Kita dapat berasumsi bahwa relativitas umum tetap valid dan membandingkannya dengan observasi, namun justru pendekatan inilah yang mengarah pada ketegangan ekstrem yang dihadapi model kosmologi terbaik kita saat ini.

Einstein diyakini mengatakan bahwa kita tidak dapat memecahkan masalah dengan pemikiran yang sama seperti yang menyebabkan munculnya masalah tersebut. Sekalipun perubahan yang diperlukan tidak radikal, kita bisa melihat bukti pertama yang dapat diandalkan dalam lebih dari satu abad bahwa kita perlu mengubah teori gravitasi.

Ditulis oleh Indranil Panik, Peneliti Pascadoktoral di bidang Astrofisika, Universitas St Andrews.

Diadaptasi dari artikel yang awalnya diterbitkan di Percakapan.