Supernova-explosies onthullen minieme details over donkere energie en donkere materie

Analyse van supernova-explosies die meer dan twee decennia hebben geduurd, ondersteunt op overtuigende wijze moderne kosmologische theorieën en stimuleert de inspanningen om fundamentele vragen te beantwoorden.

Astrofysici hebben een krachtige nieuwe analyse uitgevoerd die de meest precieze limieten ooit stelt aan de vorming en evolutie van het universum. Met deze analyse, bijgenaamd Pantheon+, bevinden kosmologen zich op een kruispunt.

Pantheon+ stelt op overtuigende wijze dat het universum voor ongeveer tweederde bestaat uit donkere energie en een derde uit materie – meestal in de vorm van donkere materie – en dat het de afgelopen miljarden jaren in een steeds sneller tempo is uitgebreid. Pantheon+ verstevigt echter ook een grote controverse over het tempo van deze onopgeloste uitbreiding.

Door de dominante moderne kosmologische theorieën, bekend als het standaardmodel van de kosmologie, op steviger bewijs en statistische grondslagen te plaatsen, sluit Pantheon+ ook de deur voor alternatieve kaders die verantwoordelijk zijn voor donkere energie En de donkere materie. Beide zijn hoekstenen van het standaardmodel van de kosmologie, maar zijn nog niet direct ontdekt. Ze behoren tot de grootste puzzels van het model. In navolging van de resultaten van Pantheon+ kunnen onderzoekers nu nauwkeuriger waarnemingstests uitvoeren en verklaringen voor het schijnbare heelal verfijnen.

G299 werd achtergelaten door een bepaalde klasse supernova’s genaamd Type Ia. Krediet: NASA/CXC/U.Texas

“Met deze Pantheon+-resultaten kunnen we tot nu toe de meest precieze beperkingen opleggen aan de dynamiek en geschiedenis van het universum”, zegt Dillon Prout, Einstein’s Fellow bij het Center for Astrophysics. Harvard en Smithsonian. “We hebben de gegevens doorzocht en kunnen nu met meer vertrouwen dan ooit tevoren zeggen hoe het universum zich door de eeuwen heen heeft ontwikkeld en dat de huidige beste theorieën over donkere energie en donkere materie krachtig zijn.”

Pruitt is de hoofdauteur van een reeks artikelen waarin de nieuwe Pantheon + Analysewerd op 19 oktober gezamenlijk gepubliceerd in een speciale uitgave van Astrofysisch tijdschrift.

Pantheon+ is gebaseerd op de grootste dataset in zijn soort, met meer dan 1500 starbursts genaamd Type Ia-supernova’s. Deze heldere explosies treden op wanneer:[{” 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.

De baanbrekende ontdekking van de versnelde groei van het heelal in 1998 was te danken aan de studie van Type Ia-supernova’s op deze manier. Wetenschappers schrijven deze expansie toe aan onzichtbare energie en daarom wordt het donkere energie genoemd, die inherent is aan het weefsel van het universum zelf. De daaropvolgende decennia van werk zijn doorgegaan met het verzamelen van steeds grotere datasets, waarbij supernova’s over een groter bereik van ruimte en tijd zijn onthuld, en Pantheon+ heeft ze nu samengebracht in de krachtigste statistische analyse tot nu toe.

Zegt Adam Rees, een van de winnaars van de Nobelprijs voor natuurkunde 2011 voor het ontdekken van de steeds snellere uitdijing van het heelal en Bloomberg Distinguished Professor of Johns Hopkins University (JHU) en Ruimtetelescoop Wetenschapsinstituut in Baltimore, Maryland. Reese is ook afgestudeerd aan Harvard en is gepromoveerd in astrofysica.

Pruitts carrière in de kosmologie gaat terug tot zijn studententijd aan de Johns Hopkins University, waar hij werd begeleid en geadviseerd door Reese. Daar werkte Pruitt samen met Dan Skolnick, toen een doctoraalstudent en Reiss-adviseur, die nu een assistent-professor natuurkunde is aan de Duke University en een andere co-auteur van de nieuwe papieren serie.

Enkele jaren geleden ontwikkelde Skolnik de originele pantheonanalyse van ongeveer 1.000 supernova’s.

Nu hebben Brout, Scolnic en hun nieuwe team Pantheon+ ongeveer 50 procent meer supernova-gegevenspunten aan de Pantheon+ toegevoegd, samen met verbeteringen in analysetechnieken en het omgaan met potentiële foutenbronnen, wat uiteindelijk resulteerde in een slechte nauwkeurigheid van het originele Pantheon.

“Deze sprong in de kwaliteit van de dataset en ons begrip van de fysica die eraan ten grondslag ligt, zou niet mogelijk zijn geweest zonder een uitstekend team van studenten en medewerkers die hard hadden gewerkt om elk aspect van de analyse te verbeteren”, zegt Pruitt.

Als we naar de gegevens als geheel kijken, ziet de nieuwe analyse 66,2% van het universum verschijnen als donkere energie, terwijl de resterende 33,8% een mengsel is van materie en donkere materie. Om een ​​meer uitgebreid begrip te krijgen van de samenstellende componenten van het universum in verschillende tijdperken, combineerden Brout en collega’s Pantheon+ met andere sterk bewezen, onafhankelijke, complementaire schalen voor de grootschalige structuur van het universum en met metingen van het dichtste licht van het universum, de Kosmische Magnetron Achtergrond.

Een ander belangrijk resultaat van Pantheon+ heeft betrekking op een van de hoofddoelen van de moderne kosmologie: het bepalen van de huidige uitdijingssnelheid van het heelal, bekend als de Hubble-constante. Het samenstellen van het Pantheon+-monster met gegevens van SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), geleid door Reese, resulteert in de strengste lokale meting van de huidige expansiesnelheid van het universum.

Allanthion+ en SH0ES vinden samen de Hubble-constante van 73,4 kilometer per seconde per megaparsec met slechts 1,3% onzekerheid. Anders gezegd, voor elke megaparsec, of 3,26 miljoen lichtjaar, schat de analyse dat in het nabije universum de ruimte zelf uitdijt met meer dan 160.000 mijl per uur.

Waarnemingen uit een heel ander tijdperk in de geschiedenis van het heelal voorspellen echter een ander verhaal. Metingen van het oudste licht van het universum, de kosmische microgolfachtergrond, bevestigen, in combinatie met het huidige standaardmodel van de kosmologie, consequent de Hubble-constante met een veel lagere snelheid dan waarnemingen gedaan via Type Ia-supernova’s en andere astrofysische markers. Deze grote discrepantie tussen de twee methodologieën wordt de Hubble-spanning genoemd.

De nieuwe Pantheon+ en SH0ES datasets versterken Hubble’s spanning. In feite heeft de spanning nu de belangrijke drempel van 5 sigma overschreden (de kans dat één op de miljoen voorkomt als gevolg van willekeurige kans) die natuurkundigen gebruiken om onderscheid te maken tussen mogelijke statistische kans en iets om dienovereenkomstig te begrijpen. Het bereiken van dit nieuwe statistische niveau benadrukt de uitdaging waarmee zowel theoretici als astrofysici worden geconfronteerd bij het proberen de inconsistentie van de Hubble-constante te verklaren.

“We dachten dat het mogelijk zou zijn om in onze dataset bewijs te vinden voor een nieuwe oplossing voor deze problemen, maar in plaats daarvan ontdekten we dat onze gegevens veel van deze opties uitsluiten en dat diepe discrepanties net zo hardnekkig blijven als altijd”, zegt Brout.

De Pantheon+-resultaten kunnen helpen aangeven waar de Hubble-spanning oplost. “Veel moderne theorieën beginnen te wijzen op vreemde nieuwe fysica in het vroege universum, maar dergelijke niet-geverifieerde theorieën moeten het wetenschappelijke proces doorstaan, en de Hubble-spanning blijft een enorme uitdaging”, zegt Pruitt.

Over het algemeen biedt Pantheon+ wetenschappers een uitgebreide terugblik door een groot deel van de kosmische geschiedenis. De oudste en meest verre supernova in de dataset schittert op een afstand van 10,7 miljard lichtjaar, aangezien het heelal ongeveer een kwart van zijn huidige leeftijd had. In dat vroegere tijdperk beheersten donkere materie en de bijbehorende zwaartekracht de uitdijingssnelheid van het heelal. Een dergelijke situatie veranderde drastisch in de loop van de volgende miljarden jaren toen de invloed van donkere energie het effect van donkere materie overschaduwde. Sindsdien heeft donkere energie de inhoud van het universum uit elkaar geduwd en in een steeds sneller tempo.

“Met deze gecombineerde Pantheon+-dataset krijgen we een nauwkeurig beeld van het universum uit een tijd waarin donkere materie werd gedomineerd door donkere energie”, zegt Pruitt. “Deze dataset is een unieke kans om donkere energie aan het werk te zien en de evolutie van het universum op het hoogste niveau in de huidige tijd te stimuleren.”

We hopen dat het nu bestuderen van deze verandering met sterker statistisch bewijs zal leiden tot nieuwe inzichten in de aard van mysterieuze donkere energie.

“Pantheon+ geeft ons de beste kans tot nu toe om donkere energie, de oorsprong en de evolutie ervan te beperken”, zegt Pruitt.

Referentie: “Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” door 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, Erik 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 en Phil Wiseman, 19 oktober 2022, Astrofysisch tijdschrift.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04