Взрывы сверхновых раскрывают мельчайшие подробности о темной энергии и темной материи

Анализ взрывов сверхновых, продолжавшихся более двух десятилетий, убедительно поддерживает современные космологические теории и побуждает к поиску ответов на фундаментальные вопросы.

Астрофизики провели новый мощный анализ, который устанавливает самые точные ограничения на формирование и эволюцию Вселенной. С этим анализом, получившим прозвище Пантеон+, космологи стоят на распутье.

Пантеон+ убедительно доказывает, что Вселенная примерно на две трети состоит из темной энергии и на одну треть из материи, в основном в форме темной материи, и что она расширялась с ускорением за последние миллиарды лет. Тем не менее, Pantheon + также вызывает много споров о темпах этого нерешенного расширения.

Размещая господствующие современные космологические теории, известные как Стандартная модель космологии, на более убедительных доказательствах и статистических основаниях, Пантеон+ также закрывает дверь альтернативным системам, ответственным за темная энергия и темная материя. Оба являются краеугольными камнями Стандартной модели космологии, но они не были обнаружены сразу. Они являются одними из самых больших загадок модели. Следуя выводам Pantheon+, исследователи теперь могут проводить более точные наблюдательные тесты и уточнять объяснения видимой Вселенной.

«Результаты Pantheon+ позволяют нам наложить самые точные на сегодняшний день ограничения на динамику и историю Вселенной», — сказал Диллон Праут, сотрудник Эйнштейна в Центре астрофизики. Гарвард и Смитсоновский институт. «Мы изучили данные и теперь можем с большей уверенностью, чем когда-либо прежде, сказать, как Вселенная развивалась на протяжении столетий и что лучшие современные теории о темной энергии и темной материи незыблемы».

Прюитт является ведущим автором серии статей, посвященных новым пантеон + анализОн был совместно опубликован 19 октября в специальном выпуске Астрофизический журнал.

Pantheon+ основан на крупнейшем в своем роде наборе данных, содержащем более 1500 вспышек звездообразования, называемых сверхновыми типа Ia. Эти яркие высыпания возникают при:[{” 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.

Пионерское открытие ускоренного роста Вселенной в 1998 году было связано с изучением сверхновых типа Ia таким образом. Ученые связывают это расширение с невидимой энергией, поэтому ее называют темной энергией, и она присуща самой ткани Вселенной. Последующие десятилетия работы продолжали собирать все большие наборы данных, обнаруживая сверхновые в более широком масштабе пространства и времени, и теперь Pantheon+ объединил их в самом мощном статистическом анализе.

Говорит Адам Риз, один из лауреатов Нобелевской премии по физике 2011 года за открытие ускоряющегося расширения Вселенной и заслуженный профессор Блумберга. Университет Джона Хопкинса (ЮХУ) и Научный институт космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд. Риз также является выпускником Гарварда со степенью доктора философии в области астрофизики.

Карьера Прюитта в космологии восходит к его студенческим дням в Университете Джонса Хопкинса, где он был наставником и советником. Там Прюитт объединился с Дэном Сколником, в то время аспирантом и советником Рейсса, который сейчас является доцентом физики в Университете Дьюка и еще одним соавтором новой серии статей.

Несколько лет назад Сколник разработал оригинальный пантеонный анализ около 1000 сверхновых.

Браут, Сколник и их новая команда теперь добавили в Pantheon+ около 50 процентов точек данных о сверхновых, наряду с улучшениями в методах анализа и обработки потенциальных источников ошибок, что в конечном итоге привело к низкой точности исходного Pantheon.

«Этот скачок в качестве набора данных и наше понимание лежащей в его основе физики были бы невозможны без отличной команды студентов и сотрудников, которые усердно работали над улучшением каждого аспекта анализа», — сказал Прюитт.

Глядя на данные в целом, новый анализ показывает, что 66,2% Вселенной представляют собой темную энергию, а остальные 33,8% представляют собой смесь материи и темной материи. Чтобы получить более полное представление о составных компонентах Вселенной в разные эпохи, Браут и его коллеги объединили Пантеон+ с другими хорошо зарекомендовавшими себя независимыми интегрированными измерениями крупномасштабной структуры Вселенной и с измерениями наиболее интенсивного света в Вселенная. Вселенная, космический микроволновый фон.

Еще один важный результат Пантеона+ относится к одной из главных целей современной космологии: определению текущей скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла. Сборка образца Pantheon+ с данными от SH0ES (Supernova H0 Equation of State) под руководством Риза приводит к наиболее строгим локальным измерениям текущей скорости расширения Вселенной.

Вместе Allanthion+ и SH0ES нашли постоянную Хаббла 73,4 километра в секунду на мегапарсек с погрешностью всего 1,3%. Другими словами, анализ оценивает, что на каждый мегапарсек, или 3,26 миллиона световых лет, в соседней Вселенной само пространство расширяется со скоростью более 160 000 миль в час.

Однако наблюдения совершенно из другой эпохи в истории Вселенной предсказывают другую историю. Измерения самого старого света во Вселенной, космического микроволнового фона, наряду с текущей Стандартной космологической моделью, постоянно подтверждают постоянную Хаббла с гораздо меньшей скоростью, чем наблюдения, сделанные за сверхновыми типа Ia и другими астрофизическими маркерами. Это серьезное несоответствие между двумя методологиями называется усилиями Хаббла.

Новые наборы данных Pantheon+ и SH0ES усиливают напряжение Хаббла. На самом деле, усилия уже перешагнули важный порог в 5 сигм (один шанс на миллион возникновения из-за случайного случая), который физики используют, чтобы отличить потенциальную статистическую вероятность от чего-то, что следует понимать соответствующим образом. Достижение этого нового статистического уровня подчеркивает проблему, с которой сталкиваются как теоретики, так и астрофизики, пытаясь объяснить расхождение в постоянной Хаббла.

«Мы думали, что в нашем наборе данных можно будет найти доказательства нового решения этих проблем, но вместо этого мы обнаружили, что наши данные исключают многие из этих вариантов и что глубокие расхождения сохраняются как никогда», — сказал он.

Результаты Pantheon+ могут помочь определить, где тает напряжение Хаббла. «Многие современные теории начинают указывать на странную новую физику в ранней Вселенной, но такие неподтвержденные теории должны пройти научный процесс, и напряженность Хаббла остается огромной проблемой», — сказал Прюитт.

В целом, Pantheon+ предоставляет ученым всесторонний обзор большей части космической истории. Самая старая и самая далекая сверхновая в наборе данных сияет на расстоянии 10,7 миллиарда световых лет, когда Вселенная была примерно в четверть своего нынешнего возраста. В ту раннюю эпоху темная материя и ее гравитация контролировали скорость расширения Вселенной. Такая ситуация резко изменилась в течение следующего миллиарда лет, поскольку влияние темной энергии затмило влияние темной материи. С тех пор темная энергия оттеснила содержимое Вселенной, причем с нарастающей скоростью.

«Этот комбинированный набор данных Pantheon+ дает нам точную картину Вселенной с тех времен, когда в темной материи доминировала темная энергия», — говорит Прюитт. «Этот набор данных — уникальная возможность увидеть темную энергию в действии и управлять эволюцией Вселенной на самом высоком уровне в настоящее время».

Будем надеяться, что изучение этого изменения сейчас с более убедительными статистическими данными приведет к новому пониманию природы таинственной темной энергии.

«Пантеон+ дает нам наилучшую возможность сузить масштабы, происхождение и эволюцию темной энергии», — сказал Прюитт.

Ссылка: «Пантеон + анализ: космические ограничения» Диллона Прюитта, Дэна Сколника, Броуди Поповича, Адама Дж. Риз, Энтони Карр, Джо Зонц, Рик Кесслер, Тамара М. Дэвис, Сэмюэл Хинтон, Дэвид Джонс, У. Дарси Кенворти, Эрик Р. Петерсон, Халед Саид, Джорджи Тейлор, Нур Али, Патрик Армстронг, Пранав Шарво, Ариана Дюмо, Коул Молддорф, Антонелла Пальмес, Хелен Коу, Бенджамин М. Роуз, Бруно Санчес, Кристофер В. Стаббс, Мария Винченци, Шарлотта М. Вуд, Питер Дж. Браун, Ребекка Чин, Кен Чемберс, Дэвид А. Коултер, Mayday, Георгиос Деметриадис , Алексей Флипенко, Райан Дж. Фоули, Саурабх Джа, Лиза Келси, Роберт Б. Киршнер, Анис Мюллер, Джесси Мьюир, Сешадри Надтор, Йен Чин Пан, Армин Рист, Сесар Рохас Браво, Масао Сакко, Мэттью Зайберт, Мэтт Смит, Бенджамин Э. Шталь и Фил Уайзман, 19 октября 2022 г., Астрофизический журнал.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04