Една от най-големите мистерии в космологията е скоростта, с която Вселената се разширява. Това може да се предвиди с помощта на стандартния модел на космологията, известен също като  Ламбда-студена тъмна материя (ΛCDM). Този модел се основава на подробни наблюдения на светлината, останала от Големия взрив - така нареченият космически микровълнов фон (CMB).

Разширяването на Вселената кара галактиките да се отдалечават една от друга. Колкото по-далеч са от нас, толкова по-бързо се движат. Връзката между скоростта на галактиката и разстоянието се управлява от "константата на Хъбъл", която е около 70 км. в секунда на мегапарсек (единица за дължина в астрономията). Това означава, че една галактика набира около  80467.2 километра в час за всеки милион светлинни години, когато е далеч от нас.

Но за съжаление за стандартния модел, тази стойност наскоро беше оспорвана, което доведе до това, което учените наричат ​​"напрежение на Хъбъл". Когато измерваме скоростта на разширяване, използвайки близките галактики и свръхнови (експлодиращи звезди), тя е с 10% по-голяма, отколкото когато я прогнозираме въз основа на CMB.

Но, какво представят учените в нова статия?

В нашата  нова статия представяме едно възможно обяснение: че живеем в гигантска празнота в космоса (зона с гъстота под средната). Ние показваме, че това може да увеличи местните измервания чрез изтичане на материя от празнотата. Изходящи потоци биха възникнали, когато по-плътните региони около празнината я разкъсат - те биха упражнили по-голямо гравитационно привличане от материята с по-ниска плътност вътре в празнината. В този сценарий ще трябва да сме близо до центъра на празнота с радиус около милиард светлинни години и с плътност около 20% под средната за Вселената като цяло - така че не е напълно празна.

Такава голяма и дълбока празнота е неочаквана в стандартния модел - и следователно противоречива. CMB дава моментна снимка на структурата в детската вселена, което предполага, че материята днес трябва да е доста равномерно разпръсната. Въпреки това, директното преброяване на броя на галактиките в различни региони наистина предполага, че сме в локална празнота.

Промяна на законите на гравитацията

Искахме да изпробваме тази идея допълнително, като съпоставим много различни космологични наблюдения, като приемем, че живеем в голяма празнота, която е нараснала от малка флуктуация на плътността в ранни времена.

За да направим това, нашият модел не включва ΛCDM, а алтернативна теория, наречена модифицирана нютонова динамика (MOND) .

Първоначално MOND беше предложено да обясни аномалиите в скоростта на въртене на галактиките, което доведе до предположението за невидима субстанция, наречена "тъмна материя". Вместо това MOND предполага, че аномалиите могат да се обяснят с нарушаването на закона на гравитацията на Нютон, когато гравитационното привличане е много слабо - какъвто е случаят във външните области на галактиките.

Цялостната история на космическото разширение в MOND ще бъде подобна на стандартния модел, но структурата (като галактически клъстери) ще расте по-бързо в MOND. Нашият модел улавя как може да изглежда локалната вселена във вселената на MOND. И ние открихме, че това би позволило местните измервания на скоростта на разширяване днес да варират в зависимост от нашето местоположение.

Скорошни наблюдения на галактики позволиха нов важен тест на нашия модел въз основа на скоростта, която той прогнозира на различни места. Това може да стане чрез измерване на нещо, наречено обемен поток, което е средната скорост на материята в дадена сфера, плътна или не. Това варира в зависимост от радиуса на сферата, като  последните наблюдения  показват,  че продължава  до един милиард светлинни години.

Интересното е, че обемният поток от галактики в този мащаб е четирикратно по-висок от очакваната в стандартния модел скорост. Изглежда също така се увеличава с размера на разглеждания регион - обратно на това, което прогнозира стандартният модел. Вероятността това да съответства на стандартния модел е под едно на милион.

Това ни подтикна да видим какво прогнозира нашето проучване за обемния поток. Открихме, че дава доста добро  съответствие  с наблюденията. Това изисква да сме доста близо до центъра на празнотата и празнината да е най-празна в центъра си.

Случаят приключен?

Нашите резултати идват в момент, когато популярните решения за напрежението на Хъбъл са в затруднение. Някои смятат, че просто се нуждаем от по-точни измервания. Други смятат, че това може да бъде разрешено, като приемем, че високата скорост на разширяване, която измерваме локално,  всъщност е правилната . Но това изисква леко ощипване на историята на разширенията в ранната вселена, така че CMB все още да изглежда правилно.

За съжаление, влиятелен преглед подчертава седем  проблема  с този подход. Ако Вселената се е разширявала с 10% по-бързо през по-голямата част от космическата история, тя също ще бъде с около 10% по-млада - в противоречие с  възрастта  на най-старите звезди.

Съществуването на дълбока и разширена локална празнота в броя на галактиките и бързите наблюдавани обемни потоци силно предполагат, че структурата расте по-бързо от очакваното в ΛCDM в мащаби от десетки до стотици милиони светлинни години.

Интересното е, че знаем, че масивният галактически клъстер  Ел Гордо  се е образувал  твърде рано  в космическата история и има твърде висока маса и скорост на сблъсък, за да бъде съвместим със стандартния модел. Това е още едно доказателство, че структурата се формира твърде бавно в този модел.

Тъй като гравитацията е доминиращата сила в такива големи мащаби, най-вероятно трябва да разширим теорията на Айнщайн за гравитацията, Общата теория на относителността - но само в мащаби,  по-големи от милион светлинни години .

Въпреки това, ние нямаме добър начин да измерим как се държи гравитацията в много по-големи мащаби - няма толкова огромни гравитационно свързани обекти. Можем да приемем, че Общата теория на относителността остава валидна и да я сравним с наблюденията, но точно този подход води до много сериозно напрежение, пред което в момента е изправен нашият най-добър модел на космология.

Смята се, че Айнщайн е казал, че не можем да решаваме проблеми със същото мислене, което е довело до проблемите на първо място. Дори ако необходимите промени не са драстични, може да сме свидетели на първото надеждно доказателство от повече от век, че трябва да променим нашата теория за гравитацията.