Οι εκρήξεις σουπερνόβα αποκαλύπτουν μικρές λεπτομέρειες για τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη

Η ανάλυση των εκρήξεων σουπερνόβα που έχουν διαρκέσει για περισσότερες από δύο δεκαετίες ενισχύει πειστικά τις σύγχρονες κοσμολογικές θεωρίες και αναζωογονεί τις προσπάθειες να απαντηθούν θεμελιώδη ερωτήματα.

Οι αστροφυσικοί έχουν διεξαγάγει μια ισχυρή νέα ανάλυση που θέτει τα πιο ακριβή όρια που έχουν υπάρξει ποτέ στον σχηματισμό και την εξέλιξη του σύμπαντος. Με αυτήν την ανάλυση, με το παρατσούκλι Pantheon+, οι κοσμολόγοι βρίσκονται σε ένα σταυροδρόμι.

Το Pantheon+ υποστηρίζει πειστικά ότι το σύμπαν αποτελείται από περίπου τα δύο τρίτα της σκοτεινής ενέργειας και το ένα τρίτο της ύλης – κυρίως με τη μορφή της σκοτεινής ύλης – και διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια. Ωστόσο, το Pantheon+ εδραιώνει επίσης μια μεγάλη διαμάχη σχετικά με τον ρυθμό αυτής της ανεπίλυτης επέκτασης.

Τοποθετώντας τις κυρίαρχες σύγχρονες κοσμολογικές θεωρίες, γνωστές ως Καθιερωμένο Μοντέλο Κοσμολογίας, σε πιο σταθερά αποδεικτικά και στατιστικά θεμέλια, το Pantheon+ κλείνει επίσης την πόρτα σε εναλλακτικά πλαίσια που εξηγούν σκοτεινή ενέργεια Και το σκοτεινή ύλη. Και οι δύο είναι ακρογωνιαίοι λίθοι του Καθιερωμένου Μοντέλου της Κοσμολογίας, αλλά δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί άμεσα. Είναι από τους μεγαλύτερους γρίφους του μοντέλου. Σε συνέχεια των αποτελεσμάτων του Pantheon+, οι ερευνητές μπορούν τώρα να εκτελούν πιο ακριβείς δοκιμές παρατήρησης και να βελτιώσουν τις εξηγήσεις για το φαινομενικό σύμπαν.

Το G299 έμεινε πίσω από μια συγκεκριμένη κατηγορία σουπερνόβα που ονομάζεται Τύπος Ia. Πίστωση: NASA/CXC/U.Texas

«Με αυτά τα αποτελέσματα Pantheon+, μπορούμε να θέσουμε τους πιο ακριβείς περιορισμούς στη δυναμική και την ιστορία του σύμπαντος μέχρι σήμερα», λέει ο Dillon Prout, συνεργάτης του Einstein στο Κέντρο Αστροφυσικής. Harvard και Smithsonian. «Έχουμε χτενίσει τα δεδομένα και μπορούμε τώρα να πούμε με περισσότερη σιγουριά από ποτέ πώς έχει εξελιχθεί το σύμπαν στο πέρασμα των αιώνων και ότι οι τρέχουσες καλύτερες θεωρίες για τη σκοτεινή ενέργεια και τη σκοτεινή ύλη είναι ισχυρές».

Ο Pruitt είναι ο κύριος συγγραφέας μιας σειράς εργασιών που περιγράφουν το νέο Πάνθεον + Ανάλυσηδημοσιεύτηκε από κοινού στις 19 Οκτωβρίου σε ειδικό τεύχος του Astrophysical Journal.

Το Pantheon+ βασίζεται στο μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων του είδους του, με περισσότερες από 1.500 αστρικές εκρήξεις που ονομάζονται σουπερνόβα τύπου Ia. Αυτές οι φωτεινές εκρήξεις συμβαίνουν όταν[{” 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.

Η σημαντική ανακάλυψη της επιταχυνόμενης ανάπτυξης του σύμπαντος το 1998 έγινε χάρη στη μελέτη των σουπερνόβα τύπου Ia με αυτόν τον τρόπο. Οι επιστήμονες αποδίδουν αυτή τη διαστολή στην αόρατη ενέργεια, και ως εκ τούτου ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία είναι εγγενής στον ιστό του ίδιου του σύμπαντος. Οι επόμενες δεκαετίες εργασίας συνέχισαν να συγκεντρώνουν ολοένα μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων, αποκαλύπτοντας σουπερνόβα σε ένα ευρύτερο φάσμα χώρου και χρόνου, και το Pantheon+ τους έχει συγκεντρώσει τώρα στην πιο ισχυρή στατιστική ανάλυση που έχει γίνει ποτέ.

Λέει ο Άνταμ Ρις, ένας από τους νικητές του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής το 2011 για την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος και ο διακεκριμένος καθηγητής του Bloomberg Πανεπιστήμιο Johns Hopkins (JHU) και Επιστημονικό Ινστιτούτο Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη του Μέριλαντ. Ο Ρις είναι επίσης απόφοιτος του Χάρβαρντ και κάτοχος διδακτορικού στην αστροφυσική.

Η καριέρα του Pruitt στην κοσμολογία χρονολογείται από τα προπτυχιακά του χρόνια στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, όπου δίδασκε και συμβουλεύτηκε ο Reese. Εκεί ο Pruitt δούλεψε με τον Dan Skolnick, τότε διδακτορικό φοιτητή και σύμβουλο Reiss, ο οποίος τώρα είναι επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Duke και ένας άλλος συν-συγγραφέας στη νέα σειρά εγγράφων.

Πριν από αρκετά χρόνια, ο Skolnik ανέπτυξε την αρχική ανάλυση πάνθεον περίπου 1.000 σουπερνόβα.

Τώρα, οι Brout, Scolnic και η νέα τους ομάδα έχουν προσθέσει το Pantheon+ περίπου 50 τοις εκατό περισσότερα σημεία δεδομένων σουπερνόβα στο Pantheon+, μαζί με βελτιώσεις στις τεχνικές ανάλυσης και τον χειρισμό πιθανών πηγών λάθους, που τελικά οδήγησαν σε χαμηλή ακρίβεια του αρχικού Pantheon.

“Αυτό το άλμα στην ποιότητα του συνόλου δεδομένων και την κατανόησή μας για τη φυσική που το στηρίζει δεν θα ήταν δυνατό χωρίς μια εξαιρετική ομάδα μαθητών και συνεργατών που εργαζόταν σκληρά για να βελτιώσει κάθε πτυχή της ανάλυσης”, λέει ο Pruitt.

Εξετάζοντας τα δεδομένα στο σύνολό τους, η νέα ανάλυση βλέπει το 66,2% του σύμπαντος να εμφανίζεται ως σκοτεινή ενέργεια, με το υπόλοιπο 33,8% να είναι ένα μείγμα ύλης και σκοτεινής ύλης. Για να αποκτήσουν μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση των συστατικών συστατικών του σύμπαντος σε διαφορετικές εποχές, ο Brout και οι συνεργάτες του συνδύασαν το Pantheon+ με άλλες αποδεδειγμένες, ανεξάρτητες, συμπληρωματικές κλίμακες στη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος και με μετρήσεις από το πλησιέστερο φως του σύμπαντος, Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Ένα άλλο σημαντικό αποτέλεσμα του Pantheon+ σχετίζεται με έναν από τους κύριους στόχους της σύγχρονης κοσμολογίας: τον προσδιορισμό του τρέχοντος ρυθμού διαστολής του σύμπαντος, γνωστός ως σταθερά Hubble. Η συγκέντρωση του δείγματος Pantheon+ με δεδομένα από το SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), με επικεφαλής τον Reese, έχει ως αποτέλεσμα την πιο αυστηρή τοπική μέτρηση του τρέχοντος ρυθμού διαστολής του σύμπαντος.

Το Allanthion+ και το SH0ES μαζί βρίσκουν τη σταθερά Hubble των 73,4 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec με μόνο 1,3% αβεβαιότητα. Με άλλα λόγια, για κάθε megaparsec, ή 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός, η ανάλυση εκτιμά ότι στο κοντινό σύμπαν, το ίδιο το διάστημα διαστέλλεται με περισσότερα από 160.000 μίλια την ώρα.

Ωστόσο, παρατηρήσεις από μια εντελώς διαφορετική εποχή στην ιστορία του σύμπαντος προβλέπουν μια διαφορετική ιστορία. Οι μετρήσεις του αρχαιότερου φωτός του σύμπαντος, του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, όταν συνδυάζονται με το τρέχον Καθιερωμένο Μοντέλο Κοσμολογίας, επιβεβαιώνουν σταθερά τη σταθερά του Hubble με ρυθμό πολύ χαμηλότερο από τις παρατηρήσεις που έγιναν μέσω υπερκαινοφανών τύπου Ia και άλλων αστροφυσικών δεικτών. Αυτή η μεγάλη ασυμφωνία μεταξύ των δύο μεθοδολογιών ονομάζεται ένταση Hubble.

Τα νέα σύνολα δεδομένων Pantheon+ και SH0ES ενισχύουν την ένταση του Hubble. Στην πραγματικότητα, η ένταση έχει πλέον ξεπεράσει το σημαντικό όριο των 5 σίγμα (η πιθανότητα να συμβεί ένα στο εκατομμύριο λόγω τυχαίας πιθανότητας) που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να διακρίνουν μεταξύ πιθανής στατιστικής πιθανότητας και κάτι που πρέπει να κατανοήσουν ανάλογα. Η επίτευξη αυτού του νέου στατιστικού επιπέδου υπογραμμίζει την πρόκληση που αντιμετωπίζουν τόσο οι θεωρητικοί όσο και οι αστροφυσικοί στην προσπάθεια να εξηγήσουν την ασυνέπεια της σταθεράς Hubble.

“Σκεφτήκαμε ότι θα ήταν δυνατό να βρούμε στοιχεία για μια νέα λύση σε αυτά τα προβλήματα στο σύνολο δεδομένων μας, αλλά αντίθετα διαπιστώσαμε ότι τα δεδομένα μας αποκλείουν πολλές από αυτές τις επιλογές και ότι οι βαθιές αποκλίσεις παραμένουν τόσο δυσεπίλυτες όσο ποτέ”, λέει ο Brout.

Τα αποτελέσματα Pantheon+ μπορούν να σας βοηθήσουν να υποδείξετε πού επιλύεται η ένταση του Hubble. «Πολλές σύγχρονες θεωρίες αρχίζουν να δείχνουν περίεργη νέα φυσική στο πρώιμο σύμπαν, ωστόσο, τέτοιες μη επαληθευμένες θεωρίες πρέπει να αντέξουν την επιστημονική διαδικασία και η ένταση του Hubble παραμένει μια τεράστια πρόκληση», λέει ο Pruitt.

Συνολικά, το Pantheon+ προσφέρει στους επιστήμονες μια περιεκτική αναδρομή σε μεγάλο μέρος της κοσμικής ιστορίας. Το παλαιότερο και πιο μακρινό σουπερνόβα στο σύνολο δεδομένων λάμπει από 10,7 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αφού το σύμπαν ήταν περίπου το ένα τέταρτο της τρέχουσας ηλικίας του. Σε εκείνη την προηγούμενη εποχή, η σκοτεινή ύλη και η σχετική βαρύτητα είχαν τον έλεγχο του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Μια τέτοια κατάσταση άλλαξε δραματικά τα επόμενα δισεκατομμύρια χρόνια, καθώς η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας επισκίασε την επίδραση της σκοτεινής ύλης. Από τότε, η σκοτεινή ενέργεια έχει απομακρύνει τα περιεχόμενα του σύμπαντος και με διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό.

«Με αυτό το συνδυασμένο σύνολο δεδομένων Pantheon+, έχουμε μια ακριβή άποψη του σύμπαντος από μια εποχή που η σκοτεινή ύλη κυριαρχούνταν από τη σκοτεινή ενέργεια», λέει ο Pruitt. «Αυτό το σύνολο δεδομένων είναι μια μοναδική ευκαιρία να δούμε τη σκοτεινή ενέργεια να λειτουργεί και να οδηγήσει την εξέλιξη του σύμπαντος στα υψηλότερα επίπεδα κατά τη διάρκεια του παρόντος».

Ελπίζουμε ότι η μελέτη αυτής της αλλαγής τώρα με ισχυρότερα στατιστικά στοιχεία θα οδηγήσει σε νέες ιδέες για τη φύση της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας.

«Το Pantheon+ μας δίνει την καλύτερη ευκαιρία να περιορίσουμε τη σκοτεινή ενέργεια, την προέλευσή της και την εξέλιξή της», λέει ο Pruitt.

Αναφορά: “Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” των 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, Έρικ Ρ. 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, Πρωτομαγιά, Γεώργιος Δημητριάδης, 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 και Phil Wiseman, 19 Οκτωβρίου 2022, Astrophysical Journal.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04