Глядя на ночное небо, может показаться, что наше космическое окружение заполнено планетами, звёздами и галактиками. Однако учёные давно предполагают, что в нашей космической окрестности галактик может быть значительно меньше, чем ожидалось. Фактически, похоже, мы живём в гигантской космической пустоте, где плотность материи примерно на 20% ниже средней.
Не все физики согласны с этой идеей. Но наша недавняя статья, опубликованная в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, анализирующая искажённые звуки ранней Вселенной, убедительно её подтверждает.
Сейчас космология переживает кризис, известный как напряжение Хаббла: локальная Вселенная расширяется примерно на 10% быстрее, чем предсказывают расчёты. Ожидаемая скорость была получена путём экстраполяции наблюдений за ранней Вселенной на современную эпоху с использованием стандартной космологической модели, известной как ΛCDM (Λ — тёмная энергия, CDM — холодная тёмная материя).
Мы можем детально изучать раннюю Вселенную через космическое микроволновое фоновое излучение (CMB) — реликтовое излучение, оставшееся с тех времён, когда Вселенная была в 1100 раз меньше, чем сейчас. Звуковые волны в ранней Вселенной создавали области пониженной и повышенной плотности (или температуры).
Анализируя флуктуации температуры CMB на разных масштабах, мы можем, по сути, «услышать» звук ранней Вселенной, который особенно «шумный» на определённых масштабах.
Эти флуктуации теперь запечатлены в CMB и называются барионными акустическими осцилляциями (BAO). Поскольку они стали «семенами» для галактик и других структур, их паттерны также видны в распределении галактик.
Измеряя эти паттерны, мы можем понять, как галактики группируются на разных красных смещениях (расстояниях). Особенно заметный паттерн с высокой степенью кластеризации наблюдается под углом, называемым угловым масштабом BAO.
Это измерение помогает астрономам и космологам изучать историю расширения Вселенной, предоставляя так называемую стандартную линейку — астрономический объект или структуру с известным размером.
Измеряя её угловой размер на небе, космологи могут вычислить расстояние до неё с помощью тригонометрии. Красное смещение также позволяет определить скорость расширения космоса. Чем крупнее объект выглядит на небе при определённом красном смещении, тем быстрее расширяется Вселенная.
Ранее мы с коллегами предположили, что напряжение Хаббла может быть связано с нашим расположением внутри крупной пустоты. Дело в том, что разреженная материя внутри пустоты будет гравитационно притягиваться к более плотной материи снаружи, непрерывно «вытекать» из пустоты.
В предыдущих исследованиях мы показали, что этот поток создаст иллюзию, будто локальная Вселенная расширяется на ~10% быстрее ожидаемого. Это решило бы проблему напряжения Хаббла.
Но нам нужны были дополнительные доказательства. Мы знали, что локальная пустота должна слегка искажать связь между угловым масштабом BAO и красным смещением из-за более быстрого движения материи внутри пустоты и её гравитационного влияния на свет извне.
Поэтому в новой работе мы с Василиосом Калаицидисом проверили предсказания модели пустоты, используя данные BAO, собранные за последние 20 лет. Мы сравнили результаты с моделями без пустоты при одинаковой истории фонового расширения.
В модели с пустотой «линейка BAO» должна выглядеть крупнее на небе при любом заданном красном смещении. Причём этот избыток должен усиливаться на малых красных смещениях (близких расстояниях), что согласуется с напряжением Хаббла.
Наблюдения подтвердили это предсказание. Наши результаты показывают, что Вселенная с локальной пустотой примерно в 100 миллионов раз вероятнее, чем без неё, если учитывать данные BAO и стандартную модель расширения, основанную на CMB.
Наше исследование демонстрирует, что модель ΛCDM без локальной пустоты находится в напряжении 3.8σ с наблюдениями BAO. Это означает, что вероятность соответствия данных Вселенной без пустоты эквивалентна 13 подряд выпавшим «орлам» при подбрасывании монеты. В то время как в моделях с пустотой данные BAO выглядят естественно — как 2 подряд «орла».
В будущем критически важно получить более точные измерения BAO на малых красных смещениях, где стандартная линейка BAO кажется крупнее — особенно если мы действительно находимся в пустоте.
Средняя скорость расширения напрямую связана с возрастом Вселенной, который можно оценить по возрасту древних звёзд Млечного Пути. Локальная пустота не влияет на возраст Вселенной, но некоторые альтернативные модели — влияют. Дальнейшие исследования помогут пролить свет на космологический кризис Хаббла.
