我们生活在一个巨大的虚空之中吗

宇宙学中最大的谜团之一是宇宙膨胀的速度。这可以使用宇宙学标准模型(也称为Lambda冷暗物质(ΛCDM))进行预测。该模型基于对大爆炸留下的光(即所谓的宇宙微波背景光(CMB))的详细观测。

宇宙的膨胀使星系彼此远离。他们离我们越远，移动得越快。星系的速度和距离之间的关系受哈勃常数控制，该常数约为每秒每百万秒差距(天文学中的长度单位)43英里(70公里)。这意味着星系距离我们每远离一百万光年，每小时就会增加约50,000英里的速度。

但不幸的是，对于标准模型来说，这个值最近引起了争议，导致了科学家所说的哈勃张力。当我们使用附近的星系和超新星(爆炸恒星)测量膨胀率时，它比我们根据CMB预测的膨胀率大10%。

在《皇家天文学会月刊》上发表的新论文中，我们提出了一种可能的解释：我们生活在太空中的一个巨大空隙(密度低于平均水平的区域)。我们表明，这可能会通过物质从虚空中流出而使局部测量结果膨胀。当空洞周围较密集的区域将其拉开时，就会出现外流——它们会比空洞内密度较低的物质施加更大的引力。

在这种情况下，我们需要靠近一个半径约为10亿光年的空洞中心，其密度比整个宇宙的平均密度低约20%，因此不是完全空的。

如此大而深的空隙在标准模型中是出乎意料的，因此引起争议。宇宙微波背景提供了婴儿宇宙结构的快照，表明今天的物质应该相当均匀地分布。然而，直接计​​算不同区域的星系数量确实表明我们处于局部真空中。

调整万有引力定律

我们想通过假设我们生活在一个由早期小密度波动形成的大空洞中，通过匹配许多不同的宇宙学观察来进一步测试这个想法。

为此，我们的模型没有采用ΛCDM，而是采用了一种称为修正牛顿动力学(MOND)的替代理论。

MOND最初是为了解释星系旋转速度的异常而提出的，这导致了一种被称为“暗物质”的不可见物质的建议。相反，MOND认为，这些异常现象可以用牛顿万有引力定律在引力非常弱时失效来解释——就像星系外部区域的情况一样。

MOND中的整体宇宙膨胀历史与标准模型相似，但结构(例如星系团)在MOND中增长得更快。我们的模型捕捉了MOND宇宙中局部宇宙的样子。我们发现它将使今天的扩张率的本地测量值根据我们所在的位置而波动。

最近的星系观测允许根据我们的模型在不同位置预测的速度对我们的模型进行重要的新测试。这可以通过测量称为总体流的东西来完成，它是给定球体中物质的平均速度，无论是否致密。这随着球体半径的变化而变化，最近的观测表明它持续到十亿光年。

有趣的是，这种规模的星系整体流动速度是标准模型中预期速度的四倍。它似乎也随着所考虑区域的大小而增加——与标准模型的预测相反。这与标准模型一致的可能性低于百万分之一。

CMB温度波动(颜色差异)。图片来源：美国宇航局

这促使我们了解我们的研究对总体流量的预测。我们发现它与观察结果非常匹配。这要求我们相当接近虚空中心，并且虚空在其中心是最空的。

案件结案了吗?

我们的研究结果是在解决哈勃张力的流行解决方案陷入困境之际得出的。有些人认为我们只需要更精确的测量。其他人则认为可以通过假设我们在当地测量的高膨胀率实际上是正确的来解决这个问题。但这需要对早期宇宙的膨胀历史进行轻微调整，这样宇宙微波背景看起来仍然正确。

不幸的是，一篇有影响力的评论强调了这种方法的七个问题。如果宇宙在绝大多数宇宙历史中膨胀速度快10%，那么它的年龄也会年轻约10%——这与最古老恒星的年龄相矛盾。

星系计数中存在的深层且扩展的局部空洞以及快速观测到的整体流动强烈表明，ΛCDM中的结构在数千万到数亿光年的尺度上增长得比预期的要快。

有趣的是，我们知道大质量星系团埃尔戈多在宇宙历史上形成得太早，质量和碰撞速度太高，与标准模型不兼容。这进一步证明该模型中的结构形成速度太慢。

由于引力是如此大尺度上的主导力，我们很可能需要扩展爱因斯坦的引力理论、广义相对论——但仅限于大于一百万光年的尺度。

然而，我们没有好的方法来测量重力在更大尺度上的表现——不存在那么巨大的受重力约束的物体。我们可以假设广义相对论仍然有效，并与观测结果进行比较，但正是这种方法导致了我们最好的宇宙学模型目前面临的非常严重的紧张局势。

人们认为爱因斯坦曾说过，我们不能用最初导致问题的相同思维来解决问题。即使所需的改变不是很大，我们也很可能见证一个多世纪以来第一个可靠的证据，证明我们需要改变我们的引力理论。