Süpernova patlamaları, karanlık enerji ve karanlık madde hakkında küçük ayrıntıları ortaya koyuyor

Yirmi yılı aşkın süredir devam eden süpernova patlamalarının analizi, modern kozmolojik teorileri ikna edici bir şekilde desteklemekte ve temel soruları yanıtlama çabalarını canlandırmaktadır.

Astrofizikçiler, evrenin oluşumu ve evrimi üzerine şimdiye kadarki en kesin sınırları koyan güçlü ve yeni bir analiz gerçekleştirdiler. Pantheon+ lakaplı bu analizle, kozmologlar kendilerini bir yol ayrımında bulurlar.

Pantheon+, evrenin yaklaşık üçte ikisinden karanlık enerjiden ve üçte birinin -çoğunlukla karanlık madde biçimindeki- maddeden oluştuğunu ve son milyarlarca yıldır artan bir hızla genişlemekte olduğunu ikna edici bir şekilde savunuyor. Ancak Pantheon+, bu çözülmemiş genişlemenin hızıyla ilgili büyük bir tartışmayı da pekiştiriyor.

Pantheon+, kozmolojinin Standart Modeli olarak bilinen baskın modern kozmolojik teorileri daha sağlam kanıtsal ve istatistiksel temellere oturtarak, aynı zamanda bu teorileri açıklayan alternatif çerçevelerin kapısını da kapatıyor. karanlık enerji Ve karanlık madde. Her ikisi de kozmolojinin Standart Modelinin temel taşlarıdır ancak henüz doğrudan keşfedilmemiştir. Modelin en büyük bulmacaları arasındadırlar. Pantheon+’ın sonuçlarından sonra, araştırmacılar artık daha doğru gözlemsel testler gerçekleştirebilir ve görünen evren için açıklamaları hassaslaştırabilir.

G299, Tip Ia adı verilen belirli bir süpernova sınıfı tarafından geride bırakıldı. Kredi: NASA/CXC/U.Texas

Einstein’ın Astrofizik Merkezi’nden Dillon Prout, “Bu Pantheon+ sonuçlarıyla, evrenin dinamikleri ve tarihi üzerine bugüne kadarki en kesin kısıtlamaları koyabiliriz” diyor. Harvard ve Smithsonian. “Verileri taradık ve şimdi, evrenin çağlar boyunca nasıl geliştiğini ve mevcut en iyi karanlık enerji ve karanlık madde teorilerinin güçlü olduğunu her zamankinden daha fazla güvenle söyleyebiliriz.”

Pruitt, yeni durumu açıklayan bir dizi makalenin baş yazarıdır. Panteon + Analiz19 Ekim’de özel bir sayısında ortaklaşa yayınlandı. Astrofizik Dergisi.

Pantheon+, Tip Ia süpernova adı verilen 1.500’den fazla yıldız patlaması içeren, türünün en büyük veri kümesine dayanmaktadır. Bu parlak patlamalar şu durumlarda meydana gelir:[{” 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.

1998’de evrenin hızlanan büyümesinin çığır açan keşfi, Tip Ia süpernovaların bu şekilde incelenmesi sayesinde oldu. Bilim adamları bu genişlemeyi görünmez enerjiye bağlıyor ve bu nedenle evrenin kendi dokusunda bulunan karanlık enerji olarak adlandırılıyor. Müteakip onlarca yıllık çalışma, daha geniş bir uzay ve zaman aralığında süpernovaları ortaya çıkaran daha büyük veri kümelerini bir araya getirmeye devam etti ve Pantheon+ şimdi bunları şimdiye kadarki en güçlü istatistiksel analizde bir araya getirdi.

Evrenin hızlanan genişlemesini keşfettiği için 2011 Nobel Fizik Ödülü’nün kazananlarından Adam Rees ve Bloomberg Seçkin Profesörü Johns Hopkins Üniversitesi (JHU) ve Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü Baltimore, Maryland’de. Reese aynı zamanda Harvard mezunudur ve astrofizik alanında doktora derecesine sahiptir.

Pruitt’in kozmolojideki kariyeri, Reese tarafından eğitim ve danışmanlık aldığı Johns Hopkins Üniversitesi’ndeki lisans yıllarına kadar uzanır. Orada Pruitt, o zamanlar bir doktora öğrencisi olan ve şu anda Duke Üniversitesi’nde fizik alanında yardımcı doçent olan ve yeni makale dizisinde başka bir ortak yazar olan Reiss danışmanı olan Dan Skolnick ile çalıştı.

Birkaç yıl önce Skolnik, yaklaşık 1000 süpernovanın orijinal panteon analizini geliştirdi.

Şimdi, Brout, Scolnic ve yeni ekibi, Pantheon+’daki süpernova veri noktalarının yaklaşık yüzde 50’sini Pantheon+’ya ekledi, ayrıca analiz tekniklerindeki iyileştirmeler ve potansiyel hata kaynaklarının ele alınması, sonuçta orijinal Pantheon’un zayıf doğruluğuna neden oldu.

Pruitt, “Veri seti kalitesindeki bu sıçrama ve bunun temelini oluşturan fizik anlayışımız, analizin her yönünü geliştirmek için çok çalışan mükemmel bir öğrenci ve işbirlikçi ekibi olmadan mümkün olmazdı” diyor.

Verilere bir bütün olarak bakıldığında, yeni analiz evrenin %66,2’sinin karanlık enerji olarak göründüğünü, kalan %33.8’inin ise madde ve karanlık madde karışımı olduğunu görüyor. Farklı dönemlerde evrenin kurucu bileşenlerini daha kapsamlı bir şekilde anlamak için Brout ve meslektaşları, Pantheon+ ile evrenin büyük ölçekli yapısını güçlü biçimde kanıtlanmış, bağımsız, tamamlayıcı ölçeklerle ve evrenin en yakın ışığından alınan ölçümlerle birleştirdi. Kozmik Mikrodalga Arka Plan.

Pantheon+’ın bir diğer önemli sonucu, modern kozmolojinin ana hedeflerinden biriyle ilgilidir: Hubble sabiti olarak bilinen evrenin mevcut genişleme hızını belirlemek. Pantheon+ örneğinin SH0ES’ten (Devlet Denklemi için Süpernova H0) verilerle birleştirilmesi, Reese liderliğinde, evrenin mevcut genişleme hızının en katı yerel ölçümüyle sonuçlanır.

Allanthion+ ve SH0ES birlikte, yalnızca %1.3 belirsizlikle megaparsec başına saniyede 73.4 kilometrelik Hubble sabitini buluyor. Başka bir deyişle, her megaparsek veya 3.26 milyon ışıkyılı için analiz, yakındaki evrende uzayın kendisinin saatte 160.000 milden fazla genişlediğini tahmin ediyor.

Ancak, evren tarihinde tamamen farklı bir döneme ait gözlemler, farklı bir hikaye öngörüyor. Evrenin en eski ışığının, kozmik mikrodalga arka planının ölçümleri, mevcut Standart kozmoloji Modeli ile birleştirildiğinde, Hubble sabitini, Tip Ia süpernovalar ve diğer astrofiziksel belirteçler aracılığıyla yapılan gözlemlerden çok daha düşük bir oranda tutarlı bir şekilde destekler. İki metodoloji arasındaki bu büyük çelişkiye Hubble gerilimi denir.

Yeni Pantheon+ ve SH0ES veri kümeleri, Hubble’ın gerginliğini artırıyor. Aslında gerilim, fizikçilerin olası istatistiksel şans ile buna göre anlaşılması gereken bir şeyi ayırt etmek için kullandıkları önemli 5 sigma eşiğini (rastgele şans nedeniyle milyonda bir olma olasılığı) aştı. Bu yeni istatistiksel düzeye ulaşmak, hem teorisyenlerin hem de astrofizikçilerin Hubble sabitinin tutarsızlığını açıklamaya çalışırken karşılaştıkları zorluğun altını çiziyor.

Brout, “Veri setimizde bu sorunlara yeni bir çözüm için kanıt bulmanın mümkün olacağını düşündük, ancak bunun yerine verilerimizin bu seçeneklerin çoğunu dışarıda bıraktığını ve derin tutarsızlıkların her zamanki gibi zorlu olmaya devam ettiğini gördük” diyor.

Pantheon+ sonuçları, Hubble geriliminin nerede çözüldüğünü göstermeye yardımcı olabilir. Pruitt, “Birçok modern teori, erken evrende garip yeni fiziğe işaret etmeye başlıyor, ancak bu tür doğrulanmamış teorilerin bilimsel sürece dayanması gerekiyor ve Hubble gerilimi büyük bir zorluk olmaya devam ediyor” diyor.

Genel olarak, Pantheon+ bilim adamlarına kozmik tarihin büyük bir kısmına kapsamlı bir bakış sunuyor. Veri setindeki en eski ve en uzak süpernova, evren şu anki yaşının kabaca dörtte biri olduğu için 10.7 milyar ışıkyılı uzaklıktan parlıyor. O eski çağda, karanlık madde ve onunla ilişkili yerçekimi, evrenin genişleme hızının kontrolündeydi. Karanlık enerjinin etkisi karanlık maddenin etkisini gölgede bıraktığından, böyle bir durum sonraki birkaç milyar yıl içinde çarpıcı bir şekilde değişti. O zamandan beri, karanlık enerji evrenin içeriğini giderek artan bir hızla birbirinden uzaklaştırdı.

Pruitt, “Bu birleşik Pantheon+ veri seti ile, karanlık maddeye karanlık enerjinin hakim olduğu bir zamandan evrenin doğru bir görünümünü elde ediyoruz” diyor. “Bu veri seti, karanlık enerjiyi iş başında görmek ve şu anda evrenin evrimini en yüksek seviyelerde yönlendirmek için eşsiz bir fırsat.”

Bu değişikliği şimdi daha güçlü istatistiksel kanıtlarla incelemenin, gizemli karanlık enerjinin doğasına dair yeni anlayışlara yol açacağını umuyoruz.

Pruitt, “Pantheon+ bize karanlık enerjiyi, kökenini ve evrimini sınırlamak için elimizdeki en iyi fırsatı sunuyor” diyor.

Referans: “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 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 ve Phil Wiseman, 19 Ekim 2022, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04