En forskare vid University of Queensland har utvecklat en ny matematisk modell för att förklara universums utveckling som för första gången inkluderar kollapsande regioner av materia och expanderande tomrum.
Dr Leonardo Giani och ett team vid UQ:s School of Mathematics and Physics använde data från Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), som har mätningar av universum upp till 11 miljarder ljusår. Forskningen har publicerats i Physical Review Letters.
”Denna nya modell kan förändra hur fysiker och kosmologer ser på universum”, säger Dr Giani.
”Den standardmodell som kartlägger universum från Big Bang till idag har materiapartiklar av samma storlek som inte interagerar med varandra.
Men i verkligheten kan vi se att det finns stjärnor, svarta hål, galaxkluster och tomma regioner som ständigt interagerar via krafter som gravitation, som inte beaktas i standardmodellen.
I 30 år har forskare försökt förklara vad som händer när detta komplexa universum expanderar, och det har gjorts många exotiska försök att hitta lösningar.
Vi vet att tomrum och kollapsande regioner existerar, men vi visste inte riktigt hur vi skulle beräkna deras inverkan på mätningarna.
”Min modell ger ett recept för att beräkna det, utan behov av ny fysik.
”Detta ramverk använder enkla matematiska termer för att beskriva hur uppkomsten av komplexa strukturer i universum påverkar våra kosmologiska mätningar.”
Dr Gianis team satte sig för att identifiera den minsta storlek ett tomrum måste ha för att påverka mätningarna (kallad R_v) samt den minsta storlek en klunga måste ha (kallad R_c).
Oberoende datamängder, inklusive DESI-data, plottades mot en x-axel och en y-axel som visar de minsta storlekarna på de kollapsande och expanderande regionerna som kan påverka kosmologiska mätningar.
”Enligt standardmodellen för universum borde alla dessa datakonturer överlappa varandra i det övre högra hörnet, där storleken på de expanderande och kontraherande regionerna skulle vara för stora för att kunna existera”, säger Dr Giani.
”I stället överlappar de varandra i en annan region, vilket tyder på att stora tomrum i rymden kan vara orsaken till det avvikande beteende som observerats i data.”
Dr Giani säger att den nya modellen också tar itu med de två största problemen inom modern kosmologi – Hubble-spänningen och bevisen för dynamisk mörk energi.
Hubble-spänningen är en diskrepans mellan två metoder för att beräkna universums expansionshastighet, medan dynamisk mörk energi är en teori som säger att energin inte är konstant utan förändras eller försvagas över tiden.
”Vår modell har den rikedom som krävs för att ta itu med båda dessa problem”, säger Dr Giani.
”Om man antar att mörk energi försvagas och sedan försöker dra slutsatser om hur snabbt universum expanderar utifrån dessa data, får man en ännu lägre mätning av universums expansionshastighet – lösningar på ett problem skapar ett annat.
”I vår modell är varje försvagning av energin bara en detaljerad redogörelse för hur universum ser ut idag, det beter sig som om det försvagas men kanske inte försvagas.
I vår graf är den gröna rutan ett område där Hubble-spänningen är upplöst.
I grund och botten, när vi frågade om komplexiteten i universum syntes i DESI-data, var svaret ja, och vårt ramverk kan förklara alla observationer.”
Mer information: Leonardo Giani et al, Novel Approach to Cosmological Nonlinearities as an Effective Fluid, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/zr92-m7py. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2410.15295
