地球、太陽系、整個銀河系和距離我們最近的幾千個星系在一個直徑為2.5億光年的巨大“氣泡”中運動，那里的物質(zhì)平均密度是宇宙其他地方的一半，這是日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)一位理論物理學(xué)家提出的假設(shè)，

目的是解決十年來科學(xué)界爭論不休的一個分歧難題：宇宙以多快的速度膨脹？到目前為止，至少有兩種獨立的計算方法得出了兩個相差約10%的值，其偏差在統(tǒng)計上是不可調(diào)和的。

這項發(fā)表在《物理快報B》期刊上的新方法，在不使用任何“新物理學(xué)”的情況下消除了這種分歧。自138億年前宇宙大爆炸發(fā)生以來，宇宙一直在膨脹，這一命題首先由比利時佳能和物理學(xué)家喬治·萊馬瓦特(1894-1966)提出，并由埃德溫·哈勃(1889-1953年)首次證明，這位美國天文學(xué)家在1929年發(fā)現(xiàn)，每個星系都在遠(yuǎn)離我們，而且越遠(yuǎn)的星系運動越快。

這表明，在過去，所有星系都位于同一地點，這一時間只能與大爆炸相對應(yīng)。這項研究引出了哈勃-勒馬瓦定律，包括表示宇宙膨脹率的哈勃常數(shù)(H0)，目前最好的H0估計值在70?(km/s)/Mpc左右，問題是有兩種相互沖突的計算方法。第一個是基于宇宙微波背景：這是來自世界各地的微波輻射，當(dāng)宇宙變得足夠冷，光能夠自由傳播的時候（大約在宇宙大爆炸后37萬年）發(fā)出來的微波輻射。

零星的超新星

使用普朗克太空任務(wù)提供的精確數(shù)據(jù)，并考慮到宇宙是均勻和各向同性的事實，使用愛因斯坦的廣義相對論在整個場景中運行，得到H0的值為67.4 (km/s)/Mpc。第二種計算方法是基于遙遠(yuǎn)星系中零星出現(xiàn)的超新星。這些非常明亮的事件，為觀測者提供了高度精確的距離，這種方法使得確定H0值為74 (km/s)/Mpc成為可能。UNIGE科學(xué)院理論物理系教授盧卡斯·隆布里澤解釋說：

這兩個值多年來一直在變得更加精確，但彼此之間卻保持著不同。不需要太多，就會引發(fā)一場科學(xué)爭論，甚至?xí)て鹑藗兊南ＭJ(rèn)為我們可能正在處理一種‘新物理學(xué)’。為了縮小差距，隆布里澤教授接受了宇宙并不像聲稱那樣同質(zhì)的觀點，這一假設(shè)在相對溫和的尺度上似乎是顯而易見的。毫無疑問，物質(zhì)在銀河系內(nèi)的分布與在銀河系外的分布不同。然而，更難想象物質(zhì)平均密度的波動，是以比星系大幾千倍的體積來計算的。

“哈勃氣泡”

如果我們處在一種巨大的‘泡泡’中，物質(zhì)的密度明顯低于整個宇宙的已知密度，這將對超新星的距離產(chǎn)生影響，并最終影響到H0的確定。所需要的只是這個“哈勃泡泡”足夠大，足以包括作為測量距離參考的星系。通過確定這個氣泡的直徑為2.5億光年，這位物理學(xué)家計算出，如果內(nèi)部物質(zhì)的密度比宇宙其他部分的密度低50%，哈勃常數(shù)將獲得一個新的值，然后該值將與使用宇宙微波背景獲得的值一致。

出現(xiàn)這種規(guī)模波動的概率是5%到20%，這意味著這不是理論家的幻想，在浩瀚的宇宙中，像我們這樣的區(qū)域還很多很多。普朗克衛(wèi)星從宇宙微波背景和陸基距離探測器測量到的宇宙當(dāng)前膨脹率之間明顯存在著差異，這促使科學(xué)家將其解釋為新物理學(xué)的證據(jù)。在傳統(tǒng)宇宙學(xué)中，這種差異的一個可能來源，在這里被確定為40MPC環(huán)境的宇宙平均值周圍物質(zhì)密度波動。

在這個環(huán)境中，超新星Ia型分離與造父變星和銀河系附近的絕對距離錨進(jìn)行了校準(zhǔn)。這種規(guī)模的不均勻性很容易達(dá)到40%甚至更多。在這種情況下，不一致的膨脹率可以作為在低密度區(qū)域的證據(jù)，該區(qū)域的密度為δEnv≈?0.5±0.1。在給定普朗克數(shù)據(jù)的情況下，找到這個局部膨脹率概率位于95%的置信水平。同樣，假設(shè)等效局部區(qū)域數(shù)據(jù)集的平均膨脹率等于普朗克的數(shù)據(jù)集，雖然在統(tǒng)計上是有利的，但在各自的貝葉斯因子中不會獲得相對于實際數(shù)據(jù)的強烈偏好。

因此，這些結(jié)果表明了哈勃常數(shù)的局域測量和普朗克測量之間的邊界一致性。一般而言，考慮到環(huán)境的不確定性，局域測量可以重新解釋為對宇宙哈勃常數(shù)H0=74.7?4.2+5.8 km/s/Mpc的約束。目前的簡化分析可以通過使用全部可用的數(shù)據(jù)集、對更容易出現(xiàn)不均勻性?10Mpc環(huán)境的影響研究，以及類星體透鏡測量的膨脹率、引力波（目前僅限于相同的40mpc區(qū)域）和局部星系分布來增強。

博科園｜研究/來自：日內(nèi)瓦大學(xué)

參考期刊《物理快報B》

DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135303

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