Ново обяснение защо локалната вселена се разширява с 10% по-бързо от очакваното

Решение на една от големите загадки на космологията.

Ваня Милева Последна промяна на 05 декември 2023 в 00:00 6773 0

Изображението показва разпределението на материята в космоса

Кредит AG Kroupa/University of Bonn

Изображението показва разпределението на материята в космоса - (жълтите точки представляват отделни галактики). Млечният път (зелен) се намира в област с малко материя. Галактиките в балона се движат в посока на по-високите плътности на материята (червени стрелки). Следователно Вселената изглежда се разширява по-бързо вътре в балона.

В космологията напрежението на Хъбъл е един от най-спорните обсъждани въпроси. Директните локални наблюдения на Хъбъл показват статистически значима разлика от класическия модел на космологията LCDM (Lambda-Cold Dark Matter - Ламбда-Студена тъмна материя), чиито параметри са настроени да отговарят на ъгловия спектър на мощност на анизотропиите в космическия микровълнов фон (CMB).

Локалната вселена се разширява с 10% по-бързо от очакваното. Вселената би трябвало да е с 10% по-млада, ако по-високата определена локална стойност на константата на Хъбъл (H0) е точна, за разлика от по-ниската базирана на CMB стойност, въпреки че причината за това напрежение е неизвестна.

Учени от университетите Бон и Сейнт Андрюс разработват нов подход. Те твърдят, че напрежението на Хъбъл изчезва ако се използва различна теория за гравитацията и разликата в измерените стойности може да бъде обяснена.

Галактиките се раздалечават в резултат на разширяването на Вселената. Скоростта, с която постигат това, е пряко свързана с разстоянието им една от друга. Едуин Хъбъл, американски астроном, първи забелязва тази връзка.

Определянето на разстоянието между две галактики е от съществено значение за изчисляване на това колко бързо две галактики се отдалечават една от друга. Освен това изисква константа, по която трябва да се умножи това разстояние.

Това е критичен космологичен параметър, известен като константата на Хъбъл-Льометр. Един от начините да се установи неговата стойност е да се изследват най-отдалечените краища на космоса. Това означава скорост от над 244 000 км/ч за всяко изминато разстояние (един мегапарсек е еквивалентен на малко над три милиона светлинни години).

"Но можете също да погледнете небесни тела, които са много по-близо до нас – така наречената свръхнови категория 1a, които са определен тип експлодиращи звезди. Възможно е да се определи точно разстоянието на свръхнова 1а до Земята. Знаем също, че тези обекти променят цвета си, когато се отдалечават от нас – и колкото по-бързо се движат, толкова по-силна е промяната" към червения край на спектъра. Това е т.нар. "червено отместване" и "прилича на линейка, чиято сирена звучи по-ниско, докато се отдалечава от нас", обяснява проф. Д-р Павел Крупа (Pavel Kroupa) от Института по радиационна и ядрена физика Хелмхолц към Университета в Бон.

"Ако сега изчислим скоростта на суперновите 1a от тяхното цветово изместване и съпоставим това с тяхното разстояние, ще стигнем до различна стойност за константата на Хъбъл-Льометр – а именно малко под 264 000 километра в час на мегапарсек разстояние. Следователно Вселената се разширява по-бързо в близост до нас – тоест до разстояние от около три милиарда светлинни години – отколкото като цяло. А това не трябва да е така."

Учените забелязват нещо интересно, което може да помогне да се обясни една мистерия. Те смятат, че Земята е в част от космоса, където няма много материя, като въздушно мехурче в торта. Но има повече материя около този балон. Идеята е, че силата на гравитацията от околната материя дърпа галактиките вътре в балона към краищата на това пространство. Всичко се движи поради привличането на материята около нас.

"Ето защо те се отдалечават от нас по-бързо от очакваното. Следователно отклоненията могат да се обяснят с недостатъчната локална плътност", отбелязва д-р. Индранил Баник (Indranil Banik) от Университета Сейнт Андрюс

Друга група изследователи са измерили колко бързо се движат група галактики, разположени на около 600 милиона светлинни години от нас. Изненадващо те установяват, че тези галактики се отдалечават от нас около четири пъти по-бързо от това, което прогнозира Стандартният модел на космологията.

Това е така, защото такива недостатъчни плътности или "балони" не са разрешени в обичайния модел и не трябва да са реални. Вместо това материята трябва да бъде разпръсната равномерно в пространството. Но ако това бе вярно, би било предизвикателство да се обясни какви фактори карат галактиките да се ускоряват до такова невероятно ускорение.

"Стандартният модел се основава на теория за природата на гравитацията, предложена от Алберт Айнщайн. Въпреки това, гравитационните сили може да се държат по различен начин от очакваното от Айнщайн," посочва Крупа.

Учените извършват компютърна симулация, основавайки се на модифицирана теория на гравитацията, известна като "модифицирана нютонова динамика" (накратко MOND). Проф. д-р Мордехай Милгром (Mordehai Milgrom), израелски физик, предлага теорията MOND преди четиридесет години. Дори сега тя все още се смята за алтернативна теория.

"В нашите изчисления обаче MOND точно прогнозира съществуването на такива балони", подчертава проф. Крупа.

Напрежението на Хъбъл би изчезнало, ако гравитацията се държеше според теориите на Милгром: разширяването на Вселената всъщност щеше да се управлява от една единствена константа и наблюдаваните вариации биха били резултат от аномалии в разпределението на материята.

Справка: Sergij Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Kroupa, and Moritz Haslbauer: Simultaneous solution to the Hubble tension and observed bulk flow within 250 ℎ−1 Mpc; Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; DOI: 10.1093/mnras/stad3357

Източник: A new possible explanation for the Hubble tension, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Модифицираната нютонова динамика (MOND) и Ефектът на външното поле 

Модифицираната нютонова динамика (MOND) е хипотеза, алтернативна теория за гравитацията, която предлага промяна в закона на гравитацията на Нютон, за да обясни въртенето на галактиките без участието на тъмна материя. Когато за първи път бе открита постоянната скорост на въртене на външните части на галактиките, това бе неочаквано, тъй като Нютонова теория за гравитацията предвижда, че колкото по-далеч е един обект от центъра, толкова по-бавна е скоростта му. Моделъъ на "тъмната материя" е създаден, за да обясни това.

Очаквана (A) и наблюдавана (B) скорост на звездите като функция на разстоянието от центъра на галактиката. Кредит: Wikimedia Commons

Един от любопитните аспекти на MOND е ефектът на външното поле (EFE). Тъй като теорията нарушава принципа на силната еквивалентност на притеглянето и ускорението (но не непременно принципа на Айнщайн или слабата еквивалентност), не може да се пренебрегне влиянието на външните маси, които налагат ускорение g ext върху системи с малки вътрешни ускорения g in.

Ефектът на външното поле или EFE (External Field Effect) представлява ефектът от полето на много голяма система върху много по-малка подсистема.Ефектът на външното поле често се бърка с ефекта на вътрешното поле (IFE), Предполагаемият IFE е ефектът от ускоренията в една подсистема върху това как тази подсистема се държи в по-голямата система.

Кредит: Case Western Reserve University

Очевиден пример е Слънчевата система, обикаляща в рамките на галактиката. Вътрешните ускорения на подсистемата не са от значение за това как тази подсистема реагира на външно поле. Само полето на родителската система в позицията на центъра на масата на подсистемата е от значение за това.  Както не е нужно да знаем квантово-механичното движение на всички частици, съставящи футболната топка, за да разберем макроскопичното движение на нейния център на масите, така и вътрешната структура (и ускоренията) на Слънчевата система е без значение за това как центърът от масата на системата обикаля в галактиката.

Нютоновата слънчева система е билярдна топка за галактика в режим MOND. Тук граничното условие, което определя края на билярдната топка, е приблизително където gin ~ gext. Това се случва на около 7000 AU за нашата слънчева система. Всичко вътре в тази граница е част от вътрешната структура на системата. Докато EFE може да достигне вътре в тази граница, IFE не може да достигне извън нея. Само центърът на масата на такива системи има значение за определяне на техните орбити в MOND, а не тяхната вътрешна структура, нито големината на техните вътрешни ускорения. С други думи, MOND спазва принципа на слабата еквивалентност: движението на частица - било то билярдна топка или слънчева система - е независимо от нейната вътрешна структура или състав.

Ефектът на външното поле според MOND трябва да въздейства на широките двойни звездни системи и се причинява от Млечния път и други галактики. Следователно изглежда, че данните от Gaia не само показват, че законите на Нютон-Айнщайн не са валидни при ниски ускорения, но и че ефектът на външното поле наистина се случва.

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !