Zagadka naszej galaktyki. Znajduje się w centrum ogromnej pustki

W jakim tempie rozszerza się Wszechświat? To jedna z największych zagadek kosmologii. Nasze obserwacje nie są w stanie dać jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie. Być może dzieje się tak dlatego, że nasza galaktyka, czyli Droga Mleczna, znajduje się w centrum gigantycznej, kosmicznej pustki.

Wiemy, że Wszechświat się rozszerza. Szybkość tego zjawiska opisuje tak zwana stała Hubble’a-Lemaitre’a. Istnieje jednak spór co do tego, jaką ma wartość, bo różne metody pomiaru dostarczają sprzecznych danych. Naukowcy z uniwersytetów w Bonn i St. Andrews, na łamach "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" (DOI: 10.1093/mnras/stad3357), zaproponowali nowe rozwiązanie tej zagadki. Według nich, może za to odpowiadać nasza lokalizacja.

Ekspansja wszechświata powoduje, że galaktyki oddalają się od siebie. Szybkość, z jaką to robią, jest proporcjonalna do odległości między nimi. Na przykład, jeśli galaktyka A jest dwa razy dalej od Ziemi niż galaktyka B, jej odległość od nas również rośnie dwa razy szybciej. Amerykański astronom Edwin Hubble był jednym z pierwszych, który dostrzegł to powiązanie.

Aby obliczyć, jak szybko dwie galaktyki oddalają się od siebie, należy wiedzieć, jak daleko się od siebie znajdują. Wymaga to jednak również stałej, przez którą należy pomnożyć tę odległość. Jest to wspomniana już stała Hubble'a-Lemaitre'a, podstawowy parametr w kosmologii. Problem polega na tym, że nie potrafimy dokładnie ustalić, w jakim tempie Wszechświat się rozszerza, ponieważ różne sposoby pomiaru dają różne wyniki.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Kiedy mierzymy tempo ekspansji za pomocą pobliskich galaktyk i supernowych, jest ono o około 10 proc. większe niż przewidywane na podstawie mikrofalowego promieniowania tła. - Wydaje się zatem, że Wszechświat rozszerza się szybciej w naszym sąsiedztwie – to znaczy do odległości około trzech miliardów lat świetlnych – niż w całości – mówi astrofizyk Pavel Kroupa z Uniwersytetu w Bonn. – A to naprawdę nie powinno mieć miejsca – dodaje.

Galaktyki nie unoszą się swobodnie w przestrzeni kosmicznej. Mają tendencję do skupiania się w gromadach, skupiskach i włóknach kosmicznej sieci, przyciągane przez wzajemną grawitację. Ale są też miejsca w kosmosie, które wydają się być puste. To obszary o znacznie mniejszej gęstości, ze stosunkowo małą liczbą galaktyk.

Coraz więcej dowodów sugeruje, że Droga Mleczna dryfuje w jednej z takich pustek w swoim małym zakątku Wszechświata. Ostatnie obserwacje wydają się to potwierdzać. Zgodnie z nimi, Ziemia znajduje się w obszarze przestrzeni, w którym jest stosunkowo mało materii. Gęstość materii jest większa wokół tego obszaru. Z otaczającej materii emanują siły grawitacyjne, które przyciągają galaktyki wewnątrz tego rejonu w stronę jego krawędzi. - Dlatego oddalają się od nas szybciej, niż można by się tego spodziewać – wyjaśnia dr Indranil Banik z St. Andrews University.

Odchylenia w pomiarach można zatem wytłumaczyć lokalnym "niedostatecznym zagęszczeniem" materii. Innymi słowy, galaktyki oddalające się od nas w pobliskiej przestrzeni mogą być lokalnie przyspieszane przez koncentrację materii wokół krawędzi tego stosunkowo pustego obszaru, gdzie znajduje się Droga Mleczna.

W tym scenariuszu musielibyśmy znajdować się blisko środka pustki o promieniu około miliarda lat świetlnych i gęstości około 20 proc. poniżej średniej dla Wszechświata jako całości.

Ale tutaj pojawia się problem, ponieważ zgodnie ze standardowym modelem kosmologii materia jest mniej więcej równomiernie rozłożona w całym Wszechświecie. Model nie przewiduje tak ogromnej niedostatecznej gęstości. Ale problem znika, jeśli zastosujemy inny model działania grawitacji. Koncepcja ta nazywa się zmodyfikowaną dynamiką newtonowską (MOND) i została zaproponowana cztery dekady temu przez izraelskiego fizyka, profesora Mordehaia Milgroma, jako alternatywne wyjaśnienie teorii ciemnej materii opracowanej w celu rozwiązania rozbieżności w naszych pomiarach grawitacji we Wszechświecie.

- Model standardowy opiera się na teorii natury grawitacji zaproponowanej przez Alberta Einsteina. Jednak siły grawitacyjne mogą zachowywać się inaczej, niż oczekiwał Einstein – zaznacza prof. Kroupa. MOND też nie jest idealną koncepcją. Ma swoje luki, ale za jej pomocą można łatwiej wytłumaczyć różnice w pomiarach ekspansji Wszechświata.

Gdyby założyć, że grawitacja faktycznie zachowuje się zgodnie z założeniami Milgroma, istniałaby tylko jedna stała ekspansji Wszechświata, a obserwowane odchylenia wynikałyby z nieregularności w rozkładzie materii.

- Żyjemy w gigantycznej pustce kosmicznej, obszarze o gęstości poniżej średniej. Pokazujemy, że mogłoby to zawyżać lokalne pomiary w wyniku wypływu materii z pustki. Wypływy miałyby miejsce, gdy gęstsze obszary otaczające pustkę rozrywałyby ją – wywierałyby większe przyciąganie grawitacyjne niż materia o niższej gęstości wewnątrz pustki – podkreśla na łamach "The Conversation" dr Banik.