Одной из значительных загадок в космологии является скорость расширения Вселенной. Данное явление можно предсказать с использованием стандартной модели космологии, известной как лямбда-холодная темная материя (ΛCDM), основанной на подробных наблюдениях за космическим микроволновым фоном (CMB) — светом, оставшимся после Большого взрыва.
Принцип расширения Вселенной приводит к тому, что галактики отдаляются друг от друга, и их скорость движения увеличивается с удалением. Это соотношение определяется "постоянной Хаббла", которая составляет около 70 км в секунду на мегапарсек (единица длины в астрономии). Однако недавно это значение было оспорено, вызвав "напряжение Хаббла". Измерения скорости расширения, проведенные на близлежащих галактиках и сверхновых, оказались на 10% выше, чем предсказывает стандартная модель на основе CMB.
Предлагается возможное объяснение: Вселенная может содержать гигантскую космическую пустоту — область с плотностью ниже средней. Это может повлиять на локальные измерения, так как материя истекает из пустоты, вызывая оттоки при воздействии гравитационного притяжения более плотных областей вокруг пустоты.
Для проверки этой идеи ученые использовали модель, основанную не на ΛCDM, а на альтернативной теории, известной как модифицированная ньютоновская динамика (MOND). MOND изначально предложена для объяснения аномалий в скоростях вращения галактик, предполагая изменение закона гравитации Ньютона. В этой модели история космического расширения схожа с стандартной, но структуры, такие как скопления галактик, растут быстрее.
Наблюдения галактик в объемном потоке на масштабе миллиарда световых лет показали, что скорость в четыре раза превышает ожидаемую в стандартной модели. Это явление усиливается с увеличением размера рассматриваемого региона, противореча стандартной модели. MOND-основанная модель хорошо соответствует этим наблюдениям, предполагая, что находимся близко к центру пустоты.
На момент получения актуальных результатов, вопрос о напряженности Хаббла в космологии стоит перед непростым вызовом. Существуют различные точки зрения по данному вопросу. Некоторые считают, что требуются более точные измерения, в то время как другие предлагают идею, что измеренная высокая скорость расширения на уровне локальной Вселенной может быть фактически правильной. Однако такой подход потребует некоторой коррекции в истории расширения ранней Вселенной, чтобы реликтовое излучение соответствовало ожиданиям.
Важно отметить, что существуют определенные трудности с этим вариантом. Например, если бы Вселенная расширялась на 10% быстрее в течение большей части своей истории, это также сделало бы ее приблизительно на 10% моложе, что противоречит возрасту самых старых звезд.
Наблюдаемое существование глубокой локальной пустоты между галактиками и быстрые объемные потоки подчеркивают, что структура в модели ΛCDM растет быстрее, чем предполагалось на масштабах от десятков до сотен миллионов световых лет.
Интересным фактом является то, что массивное скопление галактик Эль-Гордо сформировалось слишком рано в истории Вселенной и имеет слишком высокую массу и скорость столкновения для соответствия стандартной модели. Это еще одно свидетельство того, что в данной модели структура формируется слишком медленно.
Так как гравитация играет ключевую роль на таких космических масштабах, вероятно, нам придется расширить теорию гравитации Эйнштейна, общую теорию относительности, хотя это будет применимо только к масштабам, значительно превышающим миллион световых лет.
Однако измерение поведения гравитации на таких крупных масштабах представляет определенные трудности, поскольку нет настолько массивных гравитационно связанных объектов. Возможен вариант, в котором общая теория относительности сохранится, и ее можно будет сравнить с наблюдениями. Но именно этот подход приводит к серьезному напряжению с текущей лучшей моделью космологии. Как говорил Эйнштейн, "нельзя решать проблемы, используя те же мыслительные схемы, которые привели к их возникновению". Мы можем столкнуться с первыми за более чем столетие надежными доказательствами необходимости изменения нашей теории гравитации, даже если эти изменения окажутся незначительными.