Ljudstörning från det tidiga universum kan tolkas som att vi finns i ett gigantiskt tomrum

 

Bild https://theconversation.com  Illustration som visar att något fler galaxer bildats längs krusningarna av de ursprungliga ljudvågorna (markerade med blått) än någon annanstans. Sedan sträcktes galaxernas ringar ut i takt med universums expansion. Övriga galaxer är nedtonade i  bilden för att  effekten lättare ska ses. Nasa

Om man ser upp på natthimlen kan det verka som om vårt kosmiska grannskap är fullt av planeter, stjärnor och galaxer. Men forskare har länge föreslagit att det kan finnas mycket färre galaxer i vår kosmiska omgivning än vad man tror.

I själva verket verkar det som om vi lever i ett gigantiskt kosmiskt tomrum med ungefär 20 % lägre densitet än den genomsnittliga densiteten av materia i övriga kosmos.

Alla fysiker är inte övertygade om att så är fallet. Men i en ny artikel i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society beskrivs teorin.

Kosmologin befinner sig i en kris och krisen är Hubbles lag  : då det lokala universumet verkar expandera cirka 10 procent snabbare än väntat. Den förutspådda hastigheten kommer från extrapolering av observationer av det unga universum fram till idag med hjälp av standardmodellen för kosmologi, känd som Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM). 

Vi kan observera det tidiga universum i detalj genom den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), en relik från det tidiga universum när det var 1 100 gånger mindre än det är idag. Ljudvågor i det tidiga universum skapade slutligen områden med låg och hög densitet och temperaturer.

Genom att studera CMB:s temperaturfluktuationer på olika skalor kan vi i princip "lyssna" på ljudet från det tidiga universum som är särskilt "bullrigt" på vissa skalor. beskriver Banik och tillägger "Mina kollegor och jag har tidigare argumenterat för att spänningen i Hubble-systemet kan bero på att vi befinner oss i ett stort tomrum. Det beror på att den glesa mängden materia i tomrummet skulle attraheras av gravitationen till den tätare materian utanför det, och materia kontinuerligt flödar ut ur tomrummet.

I tidigare forskning har vi (studiens forskare Indranil BaniPostdoktoral forskare i astrofysik, University of Portsmouth, Vasileios Kalaitzidis Scottish Universities Physics Alliance, University of Saint Andrews, North Haugh, Saint Andrews, Fife KY16 9SS, Storbritannien) visat att detta flöde skulle få det att se ut som om det lokala universumet expanderar cirka 10 % snabbare än väntat. Det skulle lösa Hubbles lags motsättning.

Men de ville ha mer bevis. Och vi vet att ett lokalt tomrum skulle förvränga förhållandet mellan BAO-vinkelskalan och rödförskjutningen något på grund av den snabbare rörliga materian i tomrummet och dess gravitations effekt på ljuset utifrån.

Lever vi i ett gigantiskt tomrum? Det skulle kunna lösa gåtan med universums expansion

Så i den nya artikel har Vasileios Kalaitzidis och Indranil försökt testa tomrumsmodellens förutsägelser med hjälp av BAO-mätningar som samlats in under de senaste 20 åren. De jämförde tidigare  resultat med modeller utan tomrum under samma bakgrundsexpansionshistorik.

I den tomma modellen ska BAO-linjalen se större ut på himlen vid varje given rödförskjutning. Och detta överskott borde bli ännu större vid låg rödförskjutning (nära avstånd), i linje med Hubbles lag.

Observationerna bekräftar denna förutsägelse. Våra resultat tyder på att ett universum med ett lokalt tomrum är ungefär hundra miljoner gånger mer sannolikt än ett kosmos utan ett sådant, när man använder BAO-mätningar och antar att universum expanderar enligt standardmodellen för kosmologi som ses av CMB.

Vår forskning visar att ΛCDM-modellen utan något lokalt tomrum befinner sig i "3,8 sigma-spänning" med BAO-observationerna. Detta innebär att sannolikheten för ett universum utan ett tomrum som passar dessa data är mindre sannolik. Kort sagt  modeller som visar tomrum passar insamlad data ganska bra.

Lever vi i ett stort tomrum

 

Ett av de största mysterierna inom kosmologin är hastigheten med vilken universum expanderar. Detta kan förutsägas med hjälp av standardmodellen i kosmologi Lambda modellen kall mörk materia (ΛCDM). Modellen bygger på detaljerade observationer av det ljus som blev över efter Big Bang – den så kallade kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB). 

Universums expansion får galaxer att röra sig bort från varandra. Ju längre bort de är från oss desto snabbare ses expansionen ske. Förhållandet mellan en galax hastighet och avstånd till kan förklaras med "Hubbles konstant", som är cirka 43 km per sekund per megaparsec (längdenhet inom astronomin). Men denna standardmodells värde har nyligen ifrågasatts vilket lett till vad forskare kallar "Hubblespänningen". När vi mäter expansionshastigheten med hjälp av närliggande galaxer och supernovor är den 10 % större än baserat på den kosmiska mikrovågsbakgrunden. 

I en ny artikel presenterar forskare vid Oxford university en möjlig förklaring till skillnaden:  baserad på att vi lever i ett gigantiskt tomrum i rymden (ett område med en densitet under genomsnittet). Detta visar de utifrån att detta tomrum kan blåsa upp  oxh mätas i lokala mätningar genom utflöden av materia från tomrummet. Utflöden skulle uppstå när områden med högre densitet som omger ett tomrum drar isär detta – det skulle då utöva en större gravitationskraft på materia än i områden med lägre densitet inuti tomrummet gör.

Resultatet kommer vid en tidpunkt då populära lösningar på Hubblespänningen är ifrågasatta. Vissa tror att vi bara behöver mer exakta mätningar. Andra tror att det går att lösa problemet genom att anta att den höga expansionstakt vi mäter lokalt faktiskt är den rätta. Men det kräver en liten justering av expansionshistoriken i det tidiga universumet för att CMB fortfarande skulle se rätt ut.

Tyvärr visar en granskning fram sju problem med detta tillvägagångssätt. Om universum expanderade 10 procent snabbare under större delen av den kosmiska historien, skulle det också vara omkring 10 procent yngre något som motsäger åldern på de äldsta stjärnorna.

Existensen av ett djupt och utsträckt lokalt tomrum av galaxernas antal och de snabbt observerade flödena tyder starkt på att strukturen växer snabbare än förväntat i CMB på skalor från tiotals till hundratals miljoner ljusår.

Intressant nog vet vi att det massiva galaxklustret ElGordo   ( sju miljarder ljusår bort från oss)  bildades tidigt i den kosmiska historien och har för hög massa och expansionhastighet för att vara kompatibelt med standardmodellen. Detta är ytterligare ett bevis på att strukturer bildas för långsamt i standardmodellen.

Då gravitationen är den dominerande kraften i stora skalor behöver vi med största sannolikhet utvidga Einsteins gravitationsteori (den allmänna relativitetsteorin)  –på skalor som är större än en miljon ljusår.

Vi har dock inget bra sätt att mäta hur gravitation beter sig på mycket stora skalor då det inte finns gravitationsbundna objekt som är så stora nog för detta. Vi kan anta att den allmänna relativitetsteorin fortfarande är giltig och jämföra den med observationer. Men det är just detta tillvägagångssätt som leder till de mycket allvarliga anomalier  som vår i dag bästa kosmologiska modell för närvarande står inför.

För mer av intressant läsning i ämnet se https://theconversation.comhär 

Inlägget är en sammanfattning av en artikel i theconversation.com/ författad av Indranil  Banik Postdoktoral forskare i astrofysik, University of St Andrews

Bild vikipedia på galaxklustret El Gordo som består av två separata galaxhopar som kolliderar i flera miljoner kilometers hastighet.

Ett enormt tomrum mellan Perseus och Taurus molekylära gasmoln

 

Taurus molekulära moln är ett moln inom stjärnbilderna Tjuren och Kusken. Perseus molekylära moln är ett närliggande ( gigantiskt molekylärt moln i stjärnbilden Perseus vilket innehåller över 10000 solmassor av gas och damm. I båda molnen sker stjärnbildning.

Astronomers har här upptäckt en "gigantisk hålighet" mellan dessa moln.

 

Det sfärformade tomrummet sträcker sig över cirka 500 ljusår  och finns mellan perseus- och tauruskonstellationerna.

 

Forskarna anser att håligheten bildats av en gammal supernova. En explosion av en åldrad stjärna för cirka 10 miljoner år sedan. Shmuel Bialy postdoktor vid Institute for Theory and Computation vid Centre for Astrophysics (CfA), Harvard och Smithsonian, som ledde denna studie säger: "Hundratals stjärnor bildas eller existerar vid insidan av denna jättebubbla.

 

"Vi har två teorier till tomrummet – antingen en supernova som skedde i närområdet eller kärnan av denna bubbla och tryckte gas utåt och bildade vad vi nu kallar 'Perseus-Taurus Supershell', eller en serie supernovor som inträffat under miljontals år som skapade fenomenet över tid."

En ovanlig upptäck (min anm.) det är även en bra plats att hålla koll på, Då man här bör kunna se hur  stjärnbildning sker. Det är vid ett tomrums gränsyta stjärnbildning sker.

Spitzer Space Telescope tog bilden på Perseus molekylära moln den 19 december 2019. Från vikipedia.

Stora tomrum däruppe innehåller mer materia än galaxerna själva.

De stora håligheterna (tomrummen) mellan galaxerna kan sträcka sig miljontals ljusår tvärs över. Men det är inga tomrum utan innehåller mer materia än galaxerna själva.


”Om du tog en kubikmeter, skulle det vara mindre än en atom i det”, sa Michael Shull, astronom vid University of Colorado Oftast är det joniserat mellan galaxerna — ofta är detta  intergalaktiska mediet eller IGM varmt, joniserat väte (hydrogen som har förlorat sin elektron) och här finns även bitar av tyngre grundämnen som kol, syre och kisel.

Det har upptäckts genom signaturen de lämnar efter sig från ljuset som passerar utifrån genom tomrummen.


På 1960-talet upptäckte astronomer kvasarer för första gången. Kvasarer (läs mer om dessa spännande objekt här) är otroligt ljusa och aktiva galaxer långt bort därute.

Det upptäcktes att dessa saknade bitar av materia. Dessa bitar hade absorberats av något mellan kvasaren upptäckte astronomerna.


Under decennierna därefter har astronomer upptäckt stora tomrum där element av gas och tunga atomer finns vilka sammantaget tillsammans innehåller mer materia än alla galaxer tillsammans. Men som beskrivs ovan i en täthet av knappt en atom per kubikmeter.


 Detta i de tomrum vi felaktigt kallar det mellan galaxerna. Något av denna gas är sannolikt rester också från Big Bang. Men tyngre grundämnen är rester eller bitar från kvasarer långt därute.


Bild; En konstnärs tolkning av en kvasargalax.