Un vide géant divise-t-il l’univers ?

Les cosmologues proposent un vide 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 rémanence

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>cette grosse explosion – 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 et la distance d’une galaxie est régie par la « constante de Hubble », qui est d’environ 70 km par seconde par mégaparsec (une unité de longueur en astronomie). Cela signifie galaxie Vous obtenez 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, donnant lieu à ce que les scientifiques appellent un “Tension de Hubble.” Lorsque nous avons mesuré le taux d’expansion à l’aide de galaxies et de supernovae (étoiles explosives) proches, il était 10 % plus élevé que lorsque nous l’avions estimé sur la base du CMB.

Représentation artistique d’un vide géant et des cordes et des murs qui l’entourent. Crédit : Pablo Carlos Budasi

En nous Nouveau papierNous proposons une explication possible : nous vivons dans un vide géant (une région avec une densité inférieure à la moyenne). Nous avons montré que cela peut entraîner une amplification des mesures locales par les flux de matière provenant du vide. Un écoulement peut survenir lorsque des régions plus denses autour d’un vide les séparent, exerçant ainsi une force de traction plus importante que le matériau de plus faible densité dans le vide.

Dans ce scénario, nous devrions 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 la moyenne de l’univers 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 une image de la structure de l’univers naissant, montrant que la matière est actuellement uniformément répartie. Cependant, le nombre de galaxies dans les différentes régions est calculé directement Cela a été recommandé Nous sommes dans un vide local.

Modifier la loi de la gravité

Nous souhaitons tester cette idée plus en profondeur en faisant correspondre plusieurs observations cosmologiques différentes à l’hypothèse selon laquelle nous vivons dans un grand vide résultant de petites fluctuations de densité dans les premiers temps.

Pour ce faire, nous avons modèle Elle n’inclut pas le ΛCDM mais une théorie alternative appelée dynamique newtonienne modifiée (Lundi).

MOND a été initialement proposé pour expliquer les anomalies dans la vitesse de rotation des galaxies, ce qui a conduit à suggérer l’existence d’une substance invisible appelée « matière noire ». MOND suggère plutôt que cette anomalie peut s’expliquer par la loi de la gravité de Newton, qui ne s’applique pas lorsque la force gravitationnelle est trop faible, comme dans les régions extérieures des galaxies.

L’histoire globale de l’expansion cosmique dans MOND serait similaire au modèle standard, mais les structures (telles que les amas de galaxies) croîtreaient plus rapidement dans MOND. Notre modèle capture à quoi ressemble l’univers local dans l’univers MOND. Nous avons constaté que cela permettait des mesures locales des taux d’expansion actuels fluctuant en fonction de notre emplacement.

Fluctuations de température du CMB: Image détaillée du ciel de l’univers naissant créée à partir de neuf années de données WMAP révélant des fluctuations de température remontant à 13,77 milliards d’années (montrée dans une variété de couleurs). Crédit : Équipe scientifique NASA/WMAP

Les observations récentes de galaxies permettent de nouveaux tests importants de notre modèle basés sur les vitesses prédites 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 sphère, qu’elle soit solide ou non. Il varie en fonction du rayon de la balle, avec Note finale une offre Cela continue Jusqu’à un milliard d’années-lumière.

Il est intéressant de noter que ce flux de galaxies à grande échelle augmente la vitesse de quatre fois celle prédite dans le modèle standard. Ce nombre semble également augmenter avec la taille de la région considérée, contrairement aux estimations du modèle standard. La probabilité que cela soit conforme au modèle standard est inférieure à un sur un million.

Cela nous a incité à examiner les prévisions de notre étude concernant le débit massique. Nous avons constaté que les résultats sont très bons approprié Pour note. Cela nécessite que nous soyons assez proches du centre du vide, et le vide doit être plus vide au centre.

L’affaire est close ?

Nos résultats ont été obtenus lorsque la solution générale du tenseur de Hubble s’est heurtée à des problèmes. Certains pensent que nous avons simplement besoin de mesures plus précises. Certains soutiennent également que ce problème peut être surmonté en supposant un taux d’expansion élevé que nous mesurons localement. En fait vrai. 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 étude influente a mis en évidence sept problème Avec cette approche. Si l’Univers s’était développé 10 % plus rapidement pendant la majeure partie de l’histoire cosmique, il serait alors également 10 % plus jeune – ce qui contredit la théorie existante. Âge L’une des étoiles les plus anciennes.

La présence de vides locaux profonds et étendus dans la population galactique et l’écoulement extrêmement rapide des galaxies suggèrent que la structure croît plus rapidement que prévu dans ΛCDM à des échelles comprises entre des dizaines et des centaines de millions d’années-lumière.

Il s’agit d’une image du plus grand amas de galaxies jamais observé par le télescope spatial Hubble alors que l’univers avait la moitié de son âge actuel, soit 13,8 milliards d’années. Cet amas contient plusieurs centaines de galaxies rassemblées sous l’influence de la gravité collective. La masse totale de l’amas, telle qu’affinée par les nouvelles mesures de Hubble, est estimée à 3 millions de milliards d’étoiles comme notre Soleil (environ 3 000 fois plus massive que notre Voie lactée) – bien qu’une grande partie de sa masse soit cachée. cataplasme sombre. La matière noire se trouve dans l’étendue 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 des miroirs funhouse. Cela leur permet de produire des estimations de masse complètes. 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 montré pour la première fois qu’il était incroyablement massif au début de l’univers, lorsqu’il existait. Les données de Hubble confirment que le cluster subit une fusion violente entre deux clusters plus petits. Sources d’images : NASA, ESA et J. Gosh (Université de Californie, Davis)

Fait intéressant, nous savons que le superamas El Gordo (voir image ci-dessus) s’est déjà formé Trop tôt Dans l’histoire cosmique, ses masses et ses vitesses d’impact 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 grande échelle, nous devrons peut-être étendre la théorie de la gravité d’Einstein, la relativité générale, mais uniquement à de grandes échelles. Plus grand qu’un million d’années-lumière.

Cependant, nous ne disposons pas d’un bon moyen de mesurer le comportement gravitationnel à des échelles beaucoup plus grandes, car il n’existe pas d’objets liés 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 sont confrontés aujourd’hui nos meilleurs modèles cosmologiques.

On pense qu’Einstein a dit que nous ne pouvons pas résoudre les problèmes avec la même pensée qui les a provoqués au départ. Même si les changements requis ne sont pas radicaux, nous pourrions voir la première preuve fiable depuis plus d’un siècle de la nécessité de modifier la théorie de la gravité.

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

Adapté d’un article initialement publié dans Conversation.