Exploziile supernovei dezvăluie detalii minuscule despre energia întunecată și materia întunecată

Analiza exploziilor de supernove care au durat mai bine de două decenii susține în mod convingător teoriile cosmologice moderne și revitalizează eforturile de a răspunde la întrebări fundamentale.

Astrofizicienii au efectuat o nouă analiză puternică care pune cele mai precise limite vreodată asupra formării și evoluției universului. Cu această analiză, supranumită Pantheon+, cosmologii se află la o răscruce.

Pantheon+ susține în mod convingător că universul este alcătuit din aproximativ două treimi din energia întunecată și o treime din materie – mai ales sub formă de materie întunecată – și s-a extins într-un ritm accelerat în ultimele miliarde de ani. Cu toate acestea, Pantheon+ solidifică și o controversă majoră asupra ritmului acestei expansiuni nerezolvate.

Prin plasarea teoriilor cosmologice moderne dominante, cunoscute sub numele de Modelul Standard al cosmologiei, pe fundamente mai ferme și statistice, Pantheon+ închide, de asemenea, ușa cadrelor alternative care țin cont de energie întunecată Si materie întunecată. Ambele sunt pietrele de temelie ale Modelului Standard al cosmologiei, dar nu au fost încă descoperite direct. Sunt printre cele mai mari puzzle-uri ale modelului. Ca urmare a rezultatelor lui Pantheon+, cercetătorii pot acum să efectueze teste observaționale mai precise și să perfecționeze explicațiile pentru universul aparent.

„Cu aceste rezultate Pantheon+, putem pune cele mai precise constrângeri asupra dinamicii și istoriei universului până în prezent”, spune Dillon Prout, membru al lui Einstein la Centrul de Astrofizică. Harvard și Smithsonian. „Am analizat datele și acum putem spune cu mai multă încredere decât oricând înainte cum a evoluat universul de-a lungul veacurilor și că cele mai bune teorii actuale despre energia întunecată și materia întunecată sunt puternice.”

Pruitt este autorul principal al unei serii de lucrări care descriu noul Panteon + Analizăa fost publicat în comun pe 19 octombrie într-un număr special al Jurnalul de astrofizică.

Pantheon+ se bazează pe cel mai mare set de date de acest gen, cu peste 1.500 de explozii stelare numite supernove de tip Ia. Aceste explozii strălucitoare apar atunci când[{” 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.

Descoperirea revoluționară a creșterii accelerate a universului în 1998 a fost datorită studiului supernovelor de tip Ia în acest fel. Oamenii de știință atribuie această expansiune energiei invizibile și, prin urmare, se numește energie întunecată, care este inerentă țesăturii universului însuși. Deceniile următoare de muncă au continuat să adune seturi de date din ce în ce mai mari, dezvăluind supernove într-o gamă mai largă de spațiu și timp, iar Pantheon+ le-a reunit acum în cea mai puternică analiză statistică de până acum.

Spune Adam Rees, unul dintre câștigătorii Premiului Nobel pentru Fizică 2011 pentru descoperirea expansiunii accelerate a universului și profesor distins Bloomberg de Universitatea Johns Hopkins (JHU) și Institutul de Știință al Telescopului Spațial în Baltimore, Maryland. Reese este, de asemenea, absolvent de la Harvard și deține un doctorat în astrofizică.

Cariera lui Pruitt în cosmologie datează din anii săi de licență la Universitatea Johns Hopkins, unde a fost îndrumat și consiliat de Reese. Acolo, Pruitt a lucrat cu Dan Skolnick, pe atunci doctorand și consilier Reiss, care acum este profesor asistent de fizică la Universitatea Duke și un alt coautor al noii serii de lucrări.

Cu câțiva ani în urmă, Skolnik a dezvoltat analiza originală a panteonului a aproximativ 1.000 de supernove.

Acum, Brout, Scolnic și noua lor echipă au adăugat Pantheon+ cu aproximativ 50% mai multe puncte de date pentru supernova Pantheon+, împreună cu îmbunătățiri ale tehnicilor de analiză și gestionarea surselor potențiale de eroare, ceea ce a dus în cele din urmă la o acuratețe slabă a Pantheonului original.

„Acest salt în ceea ce privește calitatea setului de date și înțelegerea noastră a fizicii care îl sprijină nu ar fi fost posibil fără o echipă excelentă de studenți și colaboratori care lucrează din greu pentru a îmbunătăți fiecare aspect al analizei”, spune Pruitt.

Privind datele în ansamblu, noua analiză vede că 66,2% din univers apare ca energie întunecată, restul de 33,8% fiind un amestec de materie și materie întunecată. Pentru a obține o înțelegere mai cuprinzătoare a componentelor constitutive ale universului la diferite epoci, Brout și colegii au combinat Pantheon+ cu alte scale puternic dovedite, independente, complementare cu structura pe scară largă a universului și cu măsurători din cea mai apropiată lumină a universului, Fundal cosmic cu microunde.

Un alt rezultat major al Pantheon+ se referă la unul dintre obiectivele principale ale cosmologiei moderne: determinarea ratei actuale de expansiune a universului, cunoscută sub numele de constanta Hubble. Asamblarea eșantionului Pantheon+ cu date de la SH0ES (Supernova H0 pentru Ecuația de Stat), condusă de Reese, are ca rezultat cea mai strictă măsurare locală a ratei actuale de expansiune a universului.

Allanthion+ și SH0ES găsesc împreună constanta Hubble de 73,4 kilometri pe secundă pe megaparsec, cu o incertitudine de doar 1,3%. Altfel spus, pentru fiecare megaparsec, sau 3,26 milioane de ani-lumină, analiza estimează că în universul din apropiere, spațiul însuși se extinde cu mai mult de 160.000 de mile pe oră.

Cu toate acestea, observațiile dintr-o eră complet diferită din istoria universului prezic o poveste diferită. Măsurătorile celei mai vechi lumini din univers, fundalul cosmic cu microunde, atunci când sunt combinate cu modelul standard actual de cosmologie, coroborează constant constanta Hubble la o rată mult mai mică decât observațiile făcute prin intermediul supernovelor de tip Ia și al altor markeri astrofizici. Această mare discrepanță între cele două metodologii se numește tensiunea Hubble.

Noile seturi de date Pantheon+ și SH0ES amplifică tensiunea lui Hubble. De fapt, tensiunea a depășit acum pragul important de 5 sigma (probabilitatea ca unul să apară la un milion din cauza șanselor aleatorii) pe care fizicienii îl folosesc pentru a distinge între posibilele șanse statistice și ceva de înțeles în consecință. Atingerea acestui nou nivel statistic evidențiază provocarea cu care se confruntă atât teoreticienii, cât și astrofizicienii în încercarea de a explica inconsistența constantei Hubble.

„Ne-am gândit că ar fi posibil să găsim dovezi pentru o nouă soluție la aceste probleme în setul nostru de date, dar în schimb am constatat că datele noastre exclud multe dintre aceste opțiuni și că discrepanțele profunde rămân la fel de insolubile ca întotdeauna”, spune Brout.

Rezultatele Pantheon+ pot ajuta să indice unde se rezolvă tensiunea Hubble. „Multe teorii moderne încep să indice o nouă fizică ciudată în universul timpuriu, cu toate acestea, astfel de teorii neverificate trebuie să reziste procesului științific, iar tensiunea Hubble rămâne o provocare uriașă”, spune Pruitt.

În general, Pantheon+ oferă oamenilor de știință o privire cuprinzătoare înapoi prin mare parte din istoria cosmică. Cea mai veche și mai îndepărtată supernova din setul de date strălucește de la 10,7 miliarde de ani lumină distanță, deoarece universul avea aproximativ un sfert din vârsta sa actuală. În acea epocă anterioară, materia întunecată și gravitația asociată acesteia controlau viteza de expansiune a universului. O astfel de situație s-a schimbat dramatic în următoarele câteva miliarde de ani, deoarece influența energiei întunecate a umbrit efectul materiei întunecate. De atunci, energia întunecată a împins conținutul universului în afară și într-un ritm din ce în ce mai mare.

„Cu acest set de date combinat Pantheon+, obținem o vedere precisă a universului dintr-o perioadă în care materia întunecată era dominată de energia întunecată”, spune Pruitt. „Acest set de date este o oportunitate unică de a vedea energia întunecată la lucru și de a conduce evoluția universului la cele mai înalte niveluri în timpul prezent”.

Sperăm că studierea acestei schimbări acum cu dovezi statistice mai puternice va duce la noi perspective asupra naturii misterioasei energii întunecate.

„Pantheon+ ne oferă cea mai bună oportunitate de până acum de a constrânge energia întunecată, originile și evoluția ei”, spune Pruitt.

Referință: „Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” de 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 Saeed, 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. Filipenko, Ryan J. Foley, Saurabh Jha, Lisa Kelsey, Robert B Kirchner, Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor , Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl și Phil Wiseman, 19 octombrie 2022, Jurnalul de astrofizică.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04