不毛の砂漠の真ん中にある明るい都市のように、私たちの銀河系の近隣地域は、宇宙の空洞、つまり、ほとんど計り知れないほどの巨大な空間に包まれています。 最近、空の調査により、さらに何千ものこれらの空の泡が発見されました。 今回、研究者らは、こうした宇宙の空隙から情報を引き出す方法を発見した。宇宙空間に空隙がいくつ存在するかを数えることによって、科学者たちは宇宙論における最も厄介な問題の XNUMX つを探求する新しい方法を考案した。

「宇宙論的な情報を抽出するために空隙数を使用したのはこれが初めてです」と彼は言いました。 アリス・ピサーニ、プリンストン大学とフラットアイアン研究所の宇宙学者であり、次の本の著者です。 新しいプレプリント 作品の説明。 「科学の限界を押し広げたいなら、すでに行われていることを超える必要があります。」

研究者たちが新しいツールを探している理由の XNUMX つは、解決すべき大きな謎があるためです。 最初の、そして最も困惑させるのは、宇宙の膨張率であり、これは「 ハッブル定数。 XNUMX年以上にわたり、科学者たちはこの速度の矛盾する測定値を調整するのに苦労しており、一部の人はこの問題を「 宇宙論最大の危機.

さらに、研究者らは、 矛盾する測定値 宇宙物質の塊の状態 - 時間の関数として宇宙全体に分布する大規模構造、暗黒物質、銀河、ガス、空隙の平均密度。

通常、天文学者はこれらの値を XNUMX つの相補的な方法で測定します。 興味深いことに、これら XNUMX つの方法では、ハッブル定数といわゆる物質クラスタリング強度の両方に異なる値が生成されます。

新しいアプローチでは、ピサーニと同僚は宇宙の空隙を使用して両方の値を推定します。 そして、彼らの初期の結果は、従来の手法の一方に他方よりもはるかによく一致しているように見えましたが、現在では、独自の複雑さが、すでに問題となっていた意見の不一致に寄与しています。

「ハッブル緊張はこれまでXNUMX年間続いているが、それはそれが難しい問題だからだ」と述べた。 アダムリース、超新星を使用してハッブル定数を推定するジョンズ・ホプキンス大学の天文学者。 「明らかな問題がチェックされ、データが改善されたため、ジレンマはさらに深まりました。」

今、期待されているのは、ほとんど何も勉強しなくても、何か大きなことにつながるかもしれないということだ。

バブルを構築する

ボイドは、平均して宇宙よりも密度が低い空間領域です。 それらの境界は、宇宙全体に織り込まれている銀河の巨大なシートとフィラメントによって定義されています。 空隙の中には数億光年に及ぶものもあり、これらの泡を合わせると宇宙の体積の少なくとも 80% を占めます。 しかし長い間、誰もそれらにあまり注目しませんでした。 「私は 2011 年に約 200 個の空隙を対象に研究を開始しました」とピサーニ氏は言います。 「しかし今では約6,000人がいます。」

泡の内部には内向きの重力を及ぼす物質があまりないため、泡は膨張する傾向があります。 外側のものは遠ざかる傾向があります。 そして、ボイドの内側から始まる銀河は、ボイドの端を定義する構造の重力によって外側に引っ張られます。 このため、空白では「ほとんど何も起こらない」とピサーニ氏は語った。 「合併や複雑な天体物理学は存在しません。 これにより、彼らに対処するのが非常に簡単になります。」

しかし、それぞれの空洞の形状は異なるため、科学者がそれらを識別するのは困難になる可能性があります。 「私たちは空洞が堅牢であることを確認したいのです」とピサーニ氏は語った。 「どれくらい空になっている必要がありますか?どうやって測定すればよいですか?」

「何もない」の定義は、天文学者が抽出したい情報の種類に依存することがわかりました。 Pisani らは、3D モザイクを構成する形状を識別するボロノイ図と呼ばれる数学ツールを使用して開始しました。 これらの図は通常、泡内の気泡や生物組織内の細胞などを研究するために使用されます。

現在の研究では、ピサーニと彼女の同僚は、ボロノイ テッセレーションを調整して、 バリオン振動分光調査 （ボス）。

「ボイドは銀河のカタログを補完するものです」と彼は言いました。 ベンジャミン・ワンデルト、パリのソルボンヌ大学の天体物理学者でしたが、この研究には関与していませんでした。 「それらは宇宙の構造を探る新しい方法です。」

ピサーニと同僚は、空洞の地図を手に入れた後、それが膨張する宇宙について何を明らかにできるかを調べ始めました。

何もないから

あらゆる宇宙の空白は、大規模な宇宙紛争の窓です。 一方で、私たちの宇宙をますます急速に膨張させる神秘的な力であるダークエネルギーがあります。 ダークエネルギーは空の空間にも存在するため、虚空の物理学を支配します。 対立の反対側には重力があり、虚空を一つにまとめようとします。 そして、物質の塊が空洞にしわを加えます。

ピサーニとその同僚たち ソフィア・コンタリーニ ボローニャ大学の博士らは、宇宙の膨張がさまざまなサイズの空隙の数にどのような影響を与えるかをモデル化しました。 彼らのモデルでは、他のいくつかの宇宙論的パラメータを一定に保っていたが、膨張速度が遅いほど、より小さく、よりしわくちゃの空隙がより高密度で生成された。 一方で、膨張が速く、物質がすぐに凝集しなかった場合、彼らはより多くのものが見つかると期待していました。 大きくて滑らかな空隙。

次にグループは、モデルの予測と BOSS 調査の観察結果を比較しました。 これから、彼らは塊性とハッブル定数の両方を推定することができました。

次に、彼らはその測定値を、これらの値を測定する XNUMX つの従来の方法と並べて比較しました。 最初の方法は、Ia 型超新星と呼ばれる一種の宇宙爆発を使用します。 XNUMX つ目は、ビッグバンからの残留放射線である宇宙マイクロ波背景放射 (CMB) に依存します。

ボイド データにより、CMB の推定値からの変動が 1% 未満であるハッブル定数が明らかになりました。 塊状性の結果はさらに混ざっていましたが、Ia 型超新星よりも CMB とより密接に一致しました。

困惑することに、BOSS 調査の空洞は、時空間的により最近の Ia 型超新星に近い位置にあり、空洞の測定値が原始 CMB とより密接に一致していることは少し驚くべきことです。 しかしヴァンデルト氏は、この結果によって宇宙についての新たな理解が明らかになるかもしれないと示唆した。

「身の毛がよだつような深い洞察が XNUMX つあります」と彼は言いました。 空洞の内部では構造が形成され進化することはなかったので、空洞は「初期宇宙のタイムカプセル」です。

言い換えれば、初期の宇宙の物理学が現在の物理学と異なっていたとしたら、空洞はそれを保存していた可能性があります。

不在の未来

新しい結果から結論を出すのは時期尚早だと考える人もいる。

何千もの空隙があるにもかかわらず、研究のエラーバーはまだ大きすぎて、決定的なことは言えません。 「この分析は非常によくできています」と述べた。 ルース・デュラー、ジュネーブ大学の理論物理学者でしたが、研究には参加していませんでした。 しかし、その結果はまだ統計的に有意に達していない、とデューラー氏は指摘した。 「アリスが驚くほど優れたハッブル定数測定の仲間入りをしたいのであれば、1%の限界に到達しなければなりません。これは大きな課題です」とデューラー氏は語った。

ピサーニ氏は、この作品は概念実証であると考えていると語った。 相反するCMBとIa型超新星測定と同等の十分なボイドデータを蓄積するには、おそらくさらにXNUMX年かかり、NASAのナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡やSPHEREx天文台などの将来のミッションの助けも必要だろう。

デューラー氏はまた、おそらくこれらの議論、つまり宇宙の緊張を調整しようとする試みは、すべて大したことのない騒ぎであり、観測上の不一致は科学者が消去しようとしてはいけない現実を示している可能性があるとも指摘している。

「超新星グループとCMBグループは、非常に全く異なる測定を行っています」と彼女は言う。 「つまり、私たちが同じものを見るべきではない理由を説明する新しい物理学が存在する可能性があります。」

編集者注: アリス・ピサーニは、 サイモンズ財団、この編集上独立した雑誌にも資金を提供しています。 サイモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの補償範囲に影響を与えません。 詳細は ここで入手可能.