Un vide géant divise-t-il l’univers ?

Les cosmologues proposent un vide spatial géant comme solution à la « tension de Hubble », remettant en question les modèles traditionnels et suggérant une révision de la théorie de la gravité d’Einstein.

L’un des plus grands mystères de la cosmologie est le taux d’expansion de l’univers. Cela peut être prédit à l’aide du modèle standard de cosmologie, également connu sous le nom de Matière noire froide Lambda (ΛCDM). Ce modèle est basé sur des observations détaillées de la lumière résiduelle le Big Bang – Le fond dit cosmique des micro-ondes (CMB).

L’expansion de l’univers éloigne les galaxies les unes des autres. Plus ils sont loin de nous, plus ils se déplacent vite. La relation entre la vitesse galactique et la distance est régie par la « constante de Hubble », qui est d’environ 70 km par seconde par mégaparsec (unité de longueur en astronomie). Cela signifie que la galaxie Vous gagnez environ 50 000 miles par heure Pour chaque million d’années-lumière loin de nous.

Malheureusement pour le Modèle Standard, cette valeur a été récemment contestée, conduisant à ce que les scientifiques appellent le « Tension de Hubble. » Lorsque nous mesurons le taux d’expansion à l’aide de galaxies et de supernovas (étoiles explosives) proches, il est 10 % plus élevé que lorsque nous l’avions prédit sur la base du CMB.

Rendu artistique du vide géant et des cordes et murs qui l’entourent. Crédit : Pablo Carlos Budasi

Dans notre Nouveau papierNous proposons une explication possible : nous vivons dans un vide spatial géant (une région de densité inférieure à la moyenne). Nous avons montré que cela peut conduire à des mesures locales amplifiées par les flux de matière provenant du vide. Des écoulements peuvent survenir lorsque des régions plus denses entourant un vide le séparent, exerçant une force d’attraction plus grande que la matière de plus faible densité dans le vide.

Dans ce scénario, nous aurions besoin d’être proches du centre d’un vide d’un rayon d’environ un milliard d’années-lumière et d’une densité environ 20 % inférieure à celle de l’univers moyen dans son ensemble, c’est-à-dire pas complètement vide.

Un vide aussi vaste et profond est inattendu dans le modèle standard – et donc controversé. Le CMB donne un aperçu de la structure de l’univers naissant, suggérant que la matière doit aujourd’hui être répartie de manière assez uniforme. Cependant, le nombre de galaxies dans les différentes régions est calculé directement Il est déjà suggéré Nous sommes dans un vide local.

Modifier les lois de la gravité

Nous voulions tester cette idée plus en profondeur en faisant correspondre plusieurs observations cosmologiques différentes en supposant que nous vivons dans un grand vide résultant de petites fluctuations de densité aux premiers temps.

Pour ce faire, nous avons modèle Il n’incluait pas le ΛCDM mais une théorie alternative appelée dynamique newtonienne modifiée (lundi).

MOND a été initialement proposé pour expliquer les anomalies dans les vitesses de rotation des galaxies, ce qui a conduit à suggérer l’existence d’une substance invisible appelée « matière noire ». MOND suggère plutôt que ces anomalies peuvent s’expliquer par la loi de la gravitation de Newton, qui s’effondre lorsque la force de gravité est trop faible, comme dans les régions extérieures des galaxies.

L’histoire globale de l’expansion cosmique dans MOND sera similaire au modèle standard, mais la structure (telle que les amas de galaxies) croîtra plus rapidement dans MOND. Notre modèle capture à quoi pourrait ressembler l’univers local dans l’univers MOND. Nous avons constaté que cela permettrait aux mesures locales du taux d’expansion actuel de fluctuer en fonction de notre emplacement.

Fluctuations de température du CMB: Une image détaillée de tout le ciel de l’univers naissant créée à partir de neuf années de données WMAP révélant des fluctuations de température vieilles de 13,77 milliards d’années (représentées dans les variations de couleurs). Crédit : Équipe scientifique NASA/WMAP

Les récentes observations de galaxies ont permis un nouveau test crucial de notre modèle basé sur la vitesse qu’il prédit à différents endroits. Cela peut être fait en mesurant ce qu’on appelle le débit volumique, qui est la vitesse moyenne du matériau dans une bille donnée, qu’elle soit dense ou non. Cela varie avec le rayon de la balle, avec Notes finales une offre Il continue Jusqu’à un milliard d’années-lumière.

Il est intéressant de noter que le flux massif de galaxies à cette échelle a quadruplé la vitesse attendue dans le modèle standard. Ils semblent également augmenter avec la taille de la région considérée, contrairement à ce que prédit le modèle standard. La probabilité que cela soit conforme au modèle standard est inférieure à un sur un million.

Cela nous a incité à voir ce que prédisait notre étude du flux massif. Nous avons constaté qu’il produit un très bon correspondre Aux notes. Cela nécessite que l’on soit assez proche du centre du vide, et que le vide soit plus vide en son centre.

Affaire classée?

Nos résultats arrivent à un moment où les solutions courantes au tenseur de Hubble rencontrent des difficultés. Certains pensent que nous avons simplement besoin de mesures plus précises. D’autres pensent que ce problème peut être résolu en supposant également le taux d’expansion élevé que nous mesurons localement. Effectivement correct. Mais cela nécessite un léger ajustement dans l’histoire de l’expansion de l’univers primitif pour que le CMB semble toujours correct.

Malheureusement, une revue influente met en évidence sept problèmes Avec cette approche. Si l’Univers s’était développé 10 % plus rapidement pendant la grande majorité de l’histoire cosmique, il serait également environ 10 % plus jeune – ce qui contredit la théorie dominante. Âge L’une des étoiles les plus anciennes.

La présence d’un vide local profond et étendu dans les populations de galaxies et les grands flux sortants rapides observés suggèrent fortement que la structure se développe plus rapidement que prévu dans le ΛCDM à des échelles comprises entre des dizaines et des centaines de millions d’années-lumière.

Il s’agit d’une image du télescope spatial Hubble du plus grand amas de galaxies jamais observé lorsque l’Univers avait la moitié de son âge actuel de 13,8 milliards d’années. L’amas contient plusieurs centaines de galaxies qui s’assemblent sous l’influence de la gravité collective. La masse totale de l’amas, telle qu’affinée dans les nouvelles mesures de Hubble, est estimée à 3 millions de milliards d’étoiles comme notre Soleil (environ 3 000 fois plus grande que notre Voie lactée) – bien que la majeure partie de la masse soit cachée. Cataplasme sombre. La matière noire est située dans la couche bleue. Parce que la matière noire n’émet aucun rayonnement, les astronomes de Hubble ont soigneusement mesuré la façon dont sa gravité déforme les images de galaxies lointaines, comme un miroir funhouse. Cela leur a permis de parvenir à une estimation complète de la masse. L’amas a été nommé El Gordo (en espagnol pour « le gros ») en 2012 lorsque les observations aux rayons X et les études cinématiques ont indiqué pour la première fois qu’il était inhabituellement massif pour l’époque où il existait dans l’univers primitif. Les données de Hubble ont confirmé que le cluster subit une fusion violente entre deux clusters plus petits. Source de l’image : NASA, ESA et J. Jee (Université de Californie, Davis)

Fait intéressant, nous savons que le superamas El Gordo (voir image ci-dessus) s’est formé Trop tôt Dans l’histoire cosmique, sa masse et sa vitesse de collision sont si élevées qu’elles ne correspondent pas au modèle standard. Cela prouve une fois de plus que la structure se forme très lentement dans ce modèle.

Puisque la gravité est la force dominante à de si grandes échelles, nous devrons probablement étendre la théorie de la gravité d’Einstein, la relativité générale, mais uniquement à des échelles. Plus grand qu’un million d’années-lumière.

Cependant, nous n’avons aucun moyen efficace de mesurer le comportement de la gravité à des échelles beaucoup plus grandes, car il n’existe pas d’objets gravitationnellement aussi grands. Nous pouvons supposer que la relativité générale reste valable et la comparer aux observations, mais c’est précisément cette approche qui conduit aux tensions extrêmes auxquelles notre meilleur modèle de cosmologie est actuellement confronté.

On pense qu’Einstein a dit que nous ne pouvons pas résoudre les problèmes avec la même pensée qui a conduit aux problèmes en premier lieu. Même si les changements requis ne sont pas radicaux, nous pourrions avoir la première preuve fiable depuis plus d’un siècle de la nécessité de modifier notre théorie de la gravité.

Écrit par Indranil Panik, chercheur postdoctoral en astrophysique, Université de St Andrews.

Adapté d’un article initialement publié dans Conversation.