Nagy távolságokon a gravitáció az egyedüli számottevő erő, mely az anyagot mozgatja. A gravitációt és a tér tágulását az Einstein-egyenletek írják le: a tér megmondja az anyagnak, hogyan mozogjon, az anyag pedig meghatározza, hogy a tér hogyan görbüljön. Sajnos az Einstein-egyenletek egzaktul nem oldhatóak meg tetszőleges általános esetre, így a kutatók közelítéseket alkalmaznak. Az általánosan használt modell szerint nagy skálákon az Univerzumot homogénnek és izotrópnak, azaz minden irányban egyenletes anyageloszlásúnak tekintik. Ezzel az egyszerűsítéssel létezik egzakt matematikai megoldás, az úgynevezett Friedmann-egyenlet, mely leírja, hogy az idő függvényében hogyan tágul a tér.

Ez az egyszerűsített kozmológiai modell nagyrészt meg is egyezett a csillagászati megfigyelésekkel, de a 2011-ben Nobel-díjjal jutalmazott felfedezés alapján, szupernóvák észleléséből kiderült, hogy az Univerzum tágulása gyorsul.

A modell keretében ez csak úgy volt magyarázható, ha bevezettek egy úgynevezett sötét energiát, mely az Univerzum jelenlegi teljes energiaháztartásának (beleértve a teljes tömegét is, a nevezetes E= mc² értelmében) mintegy 70%-át kiteszi. Nagy probléma azonban, hogy ennek a titokzatos sötét energiának a földi laboratóriumokban semmi nyomát nem találták, és mibenlétét a fizika mai elméletei nem tudják még közelítőleg sem megmagyarázni.

A galaxisok eloszlása az Univerzum egy szeletében a Sloan Digitális Égtérképezés észlelései alapján (jobbra), illetve az anyageloszlás modellezése N-test szimulációval (balra).

Az ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszékén dolgozó Rácz Gábor és Beck Róbert PhD-hallgatók Dobos Lászlóval, Csabai Istvánnal és a valamikor szintén az ELTE-n végzett, jelenleg a University of Hawaii-on kutató és oktató Szapudi Istvánnal közösen megkérdőjelezték, hogy létezik-e egyáltalán a sötét energia, vagy más módon is magyarázható a gyorsulva tágulás.

Azt vetették fel, hogy a problémát az a közelítés okozza, amely figyelmen kívül hagyja az anyag észlelt csomósodását, illetve annak visszahatását a tágulásra. Nem mindegy ugyanis, hogy az Univerzum a teljes egészére vetített átlagsűrűsége által meghatározottan tágul, vagy hogy a kisebb, gravitációsan kötött régiók „lokális” sűrűségei szerinti tágulást észleljük nagy skálán kiátlagolva.

Egy általuk készített számítógépes, úgynevezett N-test szimuláció segítségével sok millió „részecskével” modellezték az anyag eloszlását, dinamikáját. A részecskék közt alkalmazva a gravitáció egyenleteit rekonstruálható az Univerzum fejlődése, az anyag csomósodása. Vizsgálataik azt mutatták ki, hogy ha a tér tágulásánál egyenletes anyageloszlással számolnak, akkor megerősítve más kutatók eredményeit, csak sötét energia bevezetésével hozható összhangba a szimuláció a csillagászati észlelésekkel.

Azonban ha figyelembe vették azt, hogy a kisebb „mini-Univerzumok” önállóan tágulnak, ami a teljes Univerzumra nézve kiátlagolódik, akkor sötét energia nélkül is rekonstruálni tudták az észleléseket, a gyorsulva tágulást. Az eredeti sötét energiás elmélet és az új modell egyaránt képesek magyarázni az eddigi észlelések nagy részét, de bizonyos esetekben az új modell pontosabban egyezik a mérésekkel. A kutatók azt remélik, hogy a közeljövőbeli újabb mérések segítségével még jobban alátámasztható lesz modelljük, és teljesen kizárható lesz a sötét energia létezése.

According to the separate universe conjecture, spherically symmetric sub-regions in an isotropic universe behave like mini-universes with their own cosmological parameters. This is an excellent approximation in both Newtonian and general relativistic theories. We estimate local expansion rates for a large number of such regions, and use a scale parameter calculated from the volume-averaged increments of local scale parameters at each time step in an otherwise standard cosmological N-body simulation. The particle mass, corresponding to a coarse graining scale, is an adjustable parameter. This mean field approximation neglects tidal forces and boundary effects, but it is the first step towards a non-perturbative statistical estimation of the effect of non-linear evolution of structure on the expansion rate. Using our algorithm, a simulation with an initial Ω_m = 1 Einstein–de Sitter setting closely tracks the expansion and structure growth history of the ΛCDM cosmology. Due to small but characteristic differences, our model can be distinguished from the ΛCDM model by future precision observations. Moreover, our model can resolve the emerging tension between local Hubble constant measurements and the Planck best-fitting cosmology. Further improvements to the simulation are necessary to investigate light propagation and confirm full consistency with cosmic microwave background observations.