Eksplozje supernowych ujawniają najdrobniejsze szczegóły dotyczące ciemnej energii i ciemnej materii

Artystyczne wrażenie dwóch białych karłów łączących się i tworzących supernową typu Ia. Źródło: ESO/L. Calsada

Analiza wybuchów supernowych trwających ponad dwie dekady w przekonujący sposób wspiera współczesne teorie kosmologiczne i ożywia wysiłki mające na celu znalezienie odpowiedzi na fundamentalne pytania.

Astrofizycy przeprowadzili nową, potężną analizę, która nakłada najbardziej precyzyjne ograniczenia na powstawanie i ewolucję wszechświata. Dzięki tej analizie, zwanej Panteonem+, kosmolodzy znaleźli się na rozdrożu.

Pantheon+ przekonująco argumentuje, że Wszechświat składa się z około dwóch trzecich ciemnej energii i jednej trzeciej materii – głównie w postaci ciemnej materii – i rozszerza się w coraz szybszym tempie przez ostatnie miliardy lat. Jednak Pantheon+ umacnia również poważne kontrowersje dotyczące tempa tej nierozwiązanej ekspansji.

Umieszczając dominujące współczesne teorie kosmologiczne, znane jako Standardowy Model kosmologii, na solidniejszych podstawach dowodowych i statystycznych, Pantheon+ zamyka również drzwi alternatywnym ramom, które wyjaśniają ciemna energia A Ciemna materia. Oba są kamieniami węgielnymi Modelu Standardowego kosmologii, ale nie zostały jeszcze bezpośrednio odkryte. To jedne z największych zagadek modelki. Kontynuując wyniki Pantheon+, naukowcy mogą teraz przeprowadzać dokładniejsze testy obserwacyjne i udoskonalać wyjaśnienia pozornego wszechświata.

G299 została pozostawiona przez szczególną klasę supernowych zwaną Type Ia. Źródło: NASA/CXC/U.Texas

„Dzięki tym wynikom Pantheon+ możemy nałożyć najbardziej precyzyjne ograniczenia na dotychczasową dynamikę i historię wszechświata” – mówi Dillon Prout, członek Einsteina w Centrum Astrofizyki. Harvard i Smithsonian. „Przeszukaliśmy dane i możemy teraz z większą pewnością niż kiedykolwiek wcześniej powiedzieć, jak wszechświat ewoluował na przestrzeni wieków i że obecne najlepsze teorie ciemnej energii i ciemnej materii są potężne”.

Pruitt jest głównym autorem serii artykułów opisujących nowe Panteon + Analizazostał wspólnie opublikowany 19 października w specjalnym numerze Czasopismo Astrofizyczne.

Pantheon+ opiera się na największym tego rodzaju zbiorze danych, obejmującym ponad 1500 wybuchów gwiazd zwanych supernowymi typu Ia. Te jasne eksplozje pojawiają się, gdy[{” attribute=””>white dwarf stars — remnants of stars like our Sun — accumulate too much mass and undergo a runaway thermonuclear reaction. Because Type Ia supernovae outshine entire galaxies, the stellar detonations can be glimpsed at distances exceeding 10 billion light years, or back through about three-quarters of the universe’s total age. Given that the supernovae blaze with nearly uniform intrinsic brightnesses, scientists can use the explosions’ apparent brightness, which diminishes with distance, along with redshift measurements as markers of time and space. That information, in turn, reveals how fast the universe expands during different epochs, which is then used to test theories of the fundamental components of the universe.

Przełomowe odkrycie przyspieszającego wzrostu Wszechświata w 1998 roku nastąpiło dzięki badaniu supernowych typu Ia w ten sposób. Naukowcy przypisują tę ekspansję niewidzialnej energii, dlatego nazywa się ją ciemną energią, która jest nieodłączna w strukturze samego wszechświata. Kolejne dziesięciolecia prac kontynuowały gromadzenie coraz większych zestawów danych, ujawniając supernowe w szerszym zakresie przestrzeni i czasu, a Pantheon+ połączył je teraz w najpotężniejszej dotychczas analizie statystycznej.

Mówi Adam Rees, jeden z laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2011 za odkrycie przyspieszającej ekspansji wszechświata i Bloomberg Distinguished Professor of Uniwersytet Johna Hopkinsa (JHU) i Instytut Naukowy Teleskopu Kosmicznego w Baltimore w stanie Maryland. Reese jest również absolwentem Harvardu i doktorem astrofizyki.

Kariera Pruitta w kosmologii sięga czasów studiów licencjackich na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, gdzie był szkolony i doradzany przez Reese. Pruitt pracował tam z Danem Skolnickiem, wówczas doktorantem i doradcą Reissa, który obecnie jest adiunktem fizyki na Duke University i innym współautorem nowej serii artykułów.

Kilka lat temu Skolnik opracował oryginalną analizę panteonu około 1000 supernowych.

Teraz Brout, Scolnic i ich nowy zespół dodali Pantheon+ o około 50 procent więcej punktów danych dotyczących supernowych do Pantheon+, wraz z ulepszeniami technik analizy i obsługi potencjalnych źródeł błędów, co ostatecznie skutkowało słabą dokładnością oryginalnego Panteonu.

„Ten skok w jakości zbiorów danych i nasze rozumienie fizyki, która jest jego podstawą, nie byłby możliwy bez doskonałego zespołu studentów i współpracowników, którzy ciężko pracowali nad ulepszeniem każdego aspektu analizy” – mówi Pruitt.

Patrząc na dane jako całość, nowa analiza pokazuje, że 66,2% Wszechświata wygląda jak ciemna energia, a pozostałe 33,8% to mieszanina materii i ciemnej materii. Aby uzyskać pełniejsze zrozumienie składowych składników Wszechświata w różnych epokach, Brout i współpracownicy połączyli Pantheon+ z innymi silnie sprawdzonymi, niezależnymi, uzupełniającymi się skalami do wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz z pomiarami najbliższego światła Wszechświata, Kosmiczne tło mikrofalowe.

Inny ważny wynik Pantheon+ dotyczy jednego z głównych celów współczesnej kosmologii: określenia aktualnego tempa ekspansji wszechświata, znanego jako stała Hubble’a. Zestawienie próbki Pantheon+ z danymi z SH0ES (Supernowa H0 dla Równania Stanu), prowadzonej przez Reese’a, daje najbardziej rygorystyczny lokalny pomiar aktualnego tempa rozszerzania się Wszechświata.

Allanthion+ i SH0ES wspólnie ustalają stałą Hubble’a na poziomie 73,4 kilometrów na sekundę na megaparsek z niepewnością tylko 1,3%. Innymi słowy, na każdy megaparsek, czyli 3,26 miliona lat świetlnych, analiza szacuje, że w pobliskim wszechświecie sama przestrzeń rozszerza się z prędkością ponad 160 000 mil na godzinę.

Jednak obserwacje z zupełnie innej epoki w historii wszechświata przepowiadają inną historię. Pomiary najstarszego światła we Wszechświecie, kosmicznego mikrofalowego tła, w połączeniu z aktualnym Modelem Standardowym kosmologii, konsekwentnie potwierdzają stałą Hubble’a w tempie znacznie niższym niż obserwacje dokonane za pomocą supernowych typu Ia i innych markerów astrofizycznych. Ta wielka rozbieżność między tymi dwiema metodologiami nazywana jest napięciem Hubble’a.

Nowe zestawy danych Pantheon+ i SH0ES wzmacniają napięcie Hubble’a. W rzeczywistości napięcie przekroczyło teraz ważny próg 5-sigma (prawdopodobieństwo wystąpienia jednego na milion z powodu losowego przypadku), którego fizycy używają do rozróżnienia między możliwym statystycznym prawdopodobieństwem a czymś, co należy odpowiednio zrozumieć. Osiągnięcie tego nowego poziomu statystycznego podkreśla wyzwanie, przed którym stoją zarówno teoretycy, jak i astrofizycy, próbując wyjaśnić niespójność stałej Hubble’a.

„Myśleliśmy, że możliwe będzie znalezienie dowodów na nowe rozwiązanie tych problemów w naszym zestawie danych, ale zamiast tego stwierdziliśmy, że nasze dane wykluczają wiele z tych opcji i że głębokie rozbieżności pozostają tak trudne do usunięcia, jak zawsze” – mówi Brout.

Wyniki Pantheon+ mogą pomóc wskazać, gdzie znika napięcie Hubble’a. „Wiele współczesnych teorii zaczyna wskazywać na dziwną nową fizykę we wczesnym wszechświecie, jednak takie niezweryfikowane teorie muszą wytrzymać proces naukowy, a napięcie Hubble’a pozostaje ogromnym wyzwaniem” – mówi Pruitt.

Ogólnie rzecz biorąc, Pantheon+ oferuje naukowcom wszechstronne spojrzenie wstecz na znaczną część kosmicznej historii. Najstarsza i najbardziej odległa supernowa w zbiorze danych błyszczy z odległości 10,7 miliarda lat świetlnych, ponieważ Wszechświat miał mniej więcej jedną czwartą swojego obecnego wieku. W tej wcześniejszej erze ciemna materia i związana z nią grawitacja kontrolowały tempo ekspansji wszechświata. Taka sytuacja zmieniła się dramatycznie w ciągu następnych kilku miliardów lat, gdy wpływ ciemnej energii przyćmił wpływ ciemnej materii. Od tego czasu ciemna energia rozpychała zawartość wszechświata w coraz szybszym tempie.

„Dzięki temu połączonemu zestawowi danych Pantheon+ uzyskujemy dokładny obraz Wszechświata z czasów, gdy ciemna materia była zdominowana przez ciemną energię” – mówi Pruitt. „Ten zestaw danych to wyjątkowa okazja, aby zobaczyć ciemną energię w pracy i napędzać ewolucję wszechświata na najwyższych poziomach w chwili obecnej”.

Mamy nadzieję, że badanie tej zmiany teraz z silniejszymi dowodami statystycznymi doprowadzi do nowego wglądu w naturę tajemniczej ciemnej energii.

„Panteon+ daje nam najlepszą jak dotąd możliwość ograniczenia ciemnej energii, jej pochodzenia i ewolucji” – mówi Pruitt.

Odniesienie: „Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” Dillon Pruitt, Dan Skolnick, Brody Popovich, Adam J. Reese, Anthony Carr, Joe Zontz, Rick Kessler, Tamara M. Davies, Samuel Hinton, David Jones, W. Darcy Kenworthy, Eric R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Scharvaux, Ariana Dumoh, Cole Mulldorf, Antonella Palmes, Helen Coe, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, May Day, Georgios Demetriadis, Alexei F. Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor, Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl i Phil Wiseman, 19 października 2022 roku, Czasopismo Astrofizyczne.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04