深空中的大麻烦

以下是Indranil Banik，Moritz Haslbauer和Pavel Kroupa根据他们的新论文撰写的客座帖子。

由于许多严重的紧张局势，宇宙学目前正处于一场重大危机中，其中最严重和众所周知的是，当地对宇宙膨胀速度的观测(所谓的“哈勃常数”)超过了标准宇宙学模型Λcdm的预测。这一预测是基于宇宙微波背景(CMB)，这是我们能观察到的最古老的光-通常认为它是在大爆炸后大约40万年发出的。为了使哈勃cdm能与普朗克卫星和其他实验观测到的天体运动模式相吻合，Λ常数必须有一个特定值，即67.40.5 km/s/mpc。当地的测量结果几乎都高于这个“普朗克值”，但彼此是一致的。在我们的论文中，我们使用了超新星和引力透镜类星体的组合，使用了73.8±1.1 km/s/mpc的局域值，这是两种特别精确但又独立的技术。

宇宙的这种出人意料的快速局部膨胀可能是因为我们居住在一个巨大的低密度区域，或者说是空虚的区域。然而，在建立在爱因斯坦引力理论-广义相对论基础上的Λ清洁发展机制中，一个足够宽和足够深的空洞来解释哈勃张力是不可能的。然而，有相当有力的证据表明，我们确实生活在一个半径约为300Mpc，即10亿光年的大空洞中。这一证据来自许多涵盖从无线电到X射线的整个电磁频谱的调查。最令人信服的证据来自对近红外星系计数的分析，给出了这个空洞的名字--基南-巴格-考伊(KBC)空洞。来自空洞外物质的引力将比它内部的物质吸引更多的东西，使宇宙看起来比空洞内的观察者实际膨胀得更快。这种“哈勃泡沫”情景(如图1所示)可以解决哈勃张力问题，这一可能性在之前的几部作品(如肯沃西+2019年)中都曾考虑过，但都被拒绝了。我们将回到他们对这一想法的反对意见。

主要的反对意见之一似乎是，既然如此巨大而深刻的空白与Λ清洁发展机制不相容，它就不可能存在。这是一种常见的思维方式，但问题在我们很早的时候就很清楚了。这个逻辑的第一部分是合理的-假设广义相对论，一个热的大爆炸，宇宙早期的状态在宇宙大爆炸中是显而易见的(即，它当时是平的，几乎是均匀的)，我们被引导到标准的平坦的Λ清洁发展机制模型。通过研究这个模型最大的合适的模拟(称为MXXL)，我们发现，以观察到的KBC空洞的大小和深度(或低于密度的分数)，我们应该完全不可能发现我们自己在空洞中-这种可能性可以比第一次宣布发现希格斯玻色子时更有信心地被拒绝。因此，我们应用了领先的另类引力理论之一，称为米尔格罗姆动力学(MOND)，这是以色列物理学家莫尔德海·米尔格罗姆在20世纪80年代初提出的一个有争议的想法。我们使用MOND(这里用简单的方式解释)从早期开始向前演化出一个小的密度起伏，研究130亿年后它是否适合局部宇宙的密度和速度场。在描述我们的结果之前，我们先简要介绍MOND，并解释如何在潜在可行的宇宙学框架中使用它。天文学家经常假设MOND不能扩展到宇宙尺度(通常为>；10MPC)，如果没有一些辅助假设，这可能是正确的。广义相对论也是如此，尽管在这种情况下，辅助假设变得至关重要的尺度只有几个kpc，也就是在星系中。

蒙德最初的设计是为了解释，如果人们将广义相对论应用于发光物质的分布，为什么星系在其外围的旋转速度比应有的速度要快。这种差异引发了围绕单个星系的暗物质光晕的想法。要让暗物质在这样的尺度上聚集，它必须是“冷的”，或者相当于由相当重的粒子组成(高于几千eV/c2，或质子质量的百万分之一)。任何较轻的物质和来自星系的引力都不能抓住暗物质。蒙德假设这些推测的和无法解释的冷暗物质光环并不存在--它们的需要毕竟取决于广义相对论的有效性。在MOND中，任何物体的重力一旦降到某个非常低的阈值(称为0)，它就会随着距离的增加而更缓慢地下降，遵循的是反距离定律，而不是通常的反平方律。蒙德已经成功地预测了许多星系的旋转曲线，突出了它们与可见质量之间的一些显著的相关性。这是意想不到的，如果它们大多由不可见的暗物质组成，其性质与可见质量完全不同。地方性群体

对我们的模型的一个反对意见是，一个巨大的局部空洞会导致宇宙的明显膨胀在后期加速。同样，超出空洞的观测应该遵循标准的普朗克宇宙论，从而在空洞边缘形成阶梯状的行为。危急关头是所谓的加速度参数q0(我们定义该参数与惯例相反，以纠正历史错误)。在Λ清洁发展机制中，我们预计Q0=0.55，而一般来说，在泡沫情景中，我们预计会有更高的值。肯沃西+(2019年)的反对意见是，由于观察到的Q0接近0.55，没有空的空间。然而，他们的数据分析将Q0固定为Λ清洁发展机制的期望值，从而消除了发现可能由局部空洞造成的偏差的任何希望。其他分析(例如，Camarena和Ammarra2020b)没有做出这种理论驱动的假设，发现Q0=1.08，这与我们的最佳拟合模型非常一致(图4)。我们还讨论了对大的局部空洞的其他反对意见，例如Wu&；Huterer(2017)的论文，它没有考虑足够大的空洞，迫使作者考虑一个更深的空洞来试图解决哈勃张力。这导致了一些严重的观测不一致，但像观察到的KBC空洞这样更大、更浅的空洞似乎很好地解释了数据。事实上，结合我们应用于我们模型的所有约束，总的张力只有2.53%σ，这意味着如果我们的模型是正确的，那么数据有1.14%的机会出现。因此，实际的观察结果并不是我们的模型最可能的结果，但如果它是正确的，就有可能出现。考虑到我们从出版物中提取的部分(如果不是全部)观测误差被低估的可能性很高，这实际上是一个非常好的一致性水平。

与其他解决哈勃张力的尝试不同，我们的独特之处在于使用了一个已经存在的理论(MOND)，该理论是出于不同的原因(星系旋转曲线)而开发的。仍然需要使用由假设的稀薄中微子组成的不可见的无碰撞物质来解释星系团的属性，否则就不能很好地符合MOND的要求。此外，这些中微子提供了一种简单的方法来解释CMB和背景膨胀历史，尽管最近Skordis&Amp；Zlosnik(2020)表明这在只有普通物质的MOND中是可能的。无论如何，MOND是一种引力理论，而暗物质是一种假设，即存在的物质比肉眼看到的更多。这两个想法都可能是正确的，应该分别进行测试。

因此，暗物质-MOND混合体似乎是解决当前宇宙学危机的一种非常有前途的方法。尽管如此，还需要做更多的工作来构建一个能够解决宇宙学问题的成熟的相对论MOND理论。这可以建立在Skordis&Amp；Zlosnik(2019年)提出的引力波以光速传播的理论的基础上，这被认为是MOND的一个主要困难。我们认为，在一系列合理的理论假设下，这样的理论会在一定程度上促进结构的形成，但这需要从相对论的MOND理论开始明确地证明。在这种情况下，宇宙学结构形成的模拟当然是必需的--这些模拟目前正在波恩进行。进一步的观测也会有很大的帮助，特别是对KBC空洞外围500Mpc距离的物质密度的观测。这可能会为空洞扩大得有多快提供重要线索，帮助确定备受追捧的MOND理论的行为。

从最小的矮小星系到宇宙中最大的结构，从宇宙诞生后的几秒钟到今天，现在有一个非常现实的前景，可以获得适用于所有天文尺度的单一理论。与其争论这一理论看起来更像MOND还是标准宇宙学，我们真正应该做的是将两者的最佳元素结合起来，仔细关注所有的观察结果。

Indranil Banik是德国波恩大学亥姆霍兹辐射和核物理研究所(HISKP)洪堡大学的博士后研究员。他在剑桥三一学院攻读本科和硕士学位，在赵洪生的指导下在圣安德鲁斯获得博士学位。他的研究重点是测试重力是否在银河系外围典型的低加速度下继续遵循牛顿平方反比定律，MOND是发展最好的替代方案。

莫里茨·哈斯尔鲍尔(Moritz Haslbauer)是波恩马克斯·普朗克射电天文学研究所(MPIfR)的博士生。他在维也纳大学获得学士学位，在波恩大学获得硕士学位。他致力于研究星系的形成和演化，以及它们在局部宇宙中的分布，以检验不同的宇宙学模型和引力理论。Pavel Krou教授