科學家:我們的星系在一個巨大的「泡泡」裡面

宇宙膨脹的速度出了問題。更具體地說,我們測量宇宙膨脹加速率(稱為哈伯常數)的方法出了問題。 我們有兩種主要測量哈伯常數的方法,無論測量多少次,總是會得出不同的結果。這導致一些人建議我們需要新的物理學來解釋這差異。 不過,瑞士日內瓦大學的理論物理學家Lucas Lombriser提出了另一種方法。

Lombriser表示,如果銀河系漂浮在太空中的一個巨大低密度的空腔中,那可以解釋為什麼測量結果不一致。 透過調整方程式以解決該密度的差異,我們可以大幅減小測量差異。

目前哈伯常數有兩種測量的方法。第一種是基於宇宙微波背景(cosmic microwave background,CMB),這是大爆炸遺留下來的微弱背景輻射在宇宙中穿梭著。 CMB已經被許多巡天調查大量紀錄,因此我們知道它溫度比較高和溫度更比較低的區域與早期宇宙中物質的膨脹和收縮相對應。可以研究這些知識來了解宇宙的膨脹歷史。 根據這些資料,哈伯常數計算出的結果大約是67.4公里每秒每百萬秒差距。

另一種得到哈伯常數的方法涉及測量到已知亮度物體的距離,例如極亮的Ia超新星和造父變星(Cepheid variable stars),這是一種在亮度和周期性脈動之間具有關係的恆星。知道它們的絕對亮度,使天文學家可以計算出到這些物體的距離,因為亮度會以已知的速率隨著距離而衰減。 因此,有時我們將此類對象稱為「標準燭光」( standard candles )。

這兩種方法得出的膨脹率不一致。 Ia型超新星最近得到的結果是72.8公里每秒每百萬秒差距。 Ia超新星星系中的造父變星給出了差距更大的結果,74.03公里每秒每百萬秒差距。

Lombriser表示,「這兩個值多年來一直在變得更加精確,同時又彼此不同。」

不過,標準燭光模型有一個缺點, 用於計算宇宙膨脹的方程式是假設整個宇宙的質量分佈均勻, 在大規模上,這可能或多或少是正確的,但在較小的規模上,可能並非如此。

這可能會影響太空的行為方式, 因為如果銀河係處於低密度的泡泡中,那麼泡泡外部較高密度殼層的引力會給星系的引力帶來一點加速的作用,使它移動的速度似乎快於宇宙膨脹的速度。

Lombriser表示,「如果我們處於一個巨大的泡泡中,物質的密度會明顯低於整個宇宙的已知密度,那麼它將對超新星的距離產生影響,並最終影響哈伯常數的確認。」

這並非第一次有人提出這樣的理論,但Lombriser用數學描述了會導致觀察到的氣泡參數。他計算出,如果我們處於一個約2.5億光年的泡泡中,且它周圍的質量密度不到它周圍太空的一半,那麼標準燭光哈伯常數的計算將與宇宙微波背景哈伯常數的計算更加一致。而且我們知道存在這樣低密度的空隙,銀河係就在一個空隙的邊緣,它至少有1.5億光年寬,甚至可能高達3億光年大。

這並不表示我們需要新的物理學,一些研究表明,我們對Ia型超新星的理解存在缺陷,並且我們可能會錯誤地估算它們的亮度,也有研究提出可能有另一種暗能量在早期的宇宙中提供了額外的加速。

不過,Lombriser相信他的理論有基礎,「在這種規模上出現這種波動的可能性是20比1到5比1,這表示這不是理論家的幻想,在廣闊的宇宙中有很多像我們這樣的區域。」

參考資料: Physics Letters B.

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