Astrofizycy przeprowadzili potężną nową analizę, która nakłada najdokładniejsze jak dotąd ograniczenia na skład i ewolucję wszechświata. Dzięki tej analizie, nazwanej Panteonem+, kosmolodzy znaleźli się na rozdrożu.
Pantheon+ przekonująco stwierdza, że kosmos składa się w około dwóch trzecich z ciemnej energii iw jednej trzeciej materii – głównie w postaci ciemnej materii – i rozszerza się w coraz szybszym tempie przez ostatnie kilka miliardów lat. Jednak Pantheon+ cementuje również poważny spór dotyczący tempa tej ekspansji, która nie została jeszcze rozwiązana.
Umieszczając dominujące współczesne teorie kosmologiczne, znane jako Standardowy Model Kosmologii, na jeszcze mocniejszych podstawach dowodowych i statystycznych, Pantheon+ dodatkowo zamyka drzwi alternatywnym ramom uwzględniającym ciemną energię i ciemną materię. Oba są podstawą Standardowego Modelu Kosmologii, ale nie zostały jeszcze bezpośrednio wykryte i należą do największych tajemnic tego modelu. Kontynuując wyniki Pantheon+, naukowcy mogą teraz prowadzić bardziej precyzyjne testy obserwacyjne i doskonalić wyjaśnienia dotyczące pozornego kosmosu.
„Dzięki tym wynikom Pantheon+ jesteśmy w stanie nałożyć najbardziej precyzyjne ograniczenia na dynamikę i historię Wszechświata” – mówi Dillon Brout, członek Einstein Fellow w Center for Astrophysics | Harvard i Smithsonian. „Przeszukaliśmy dane i możemy teraz z większą pewnością niż kiedykolwiek wcześniej powiedzieć, jak wszechświat ewoluował na przestrzeni eonów i że obecne najlepsze teorie dotyczące ciemnej energii i ciemnej materii są mocne”.
Brout jest głównym autorem serii artykułów opisujących nową analizę Pantheon+, opublikowanych dziś wspólnie w specjalnym wydaniu The Astrophysical Journal.
Pantheon+ opiera się na największym tego rodzaju zbiorze danych, obejmującym ponad 1500 gwiezdnych eksplozji zwanych supernowymi typu Ia. Te jasne wybuchy pojawiają się, gdy białe karły – pozostałości gwiazd takich jak nasze Słońce – gromadzą zbyt dużo masy i przechodzą niekontrolowaną reakcję termojądrową. Ponieważ supernowe typu Ia przyćmiewają całe galaktyki, gwiezdne detonacje można dostrzec z odległości przekraczających 10 miliardów lat świetlnych lub wstecz przez około trzy czwarte całkowitego wieku Wszechświata. Biorąc pod uwagę, że supernowe płoną z niemal jednorodną jasnością wewnętrzną, naukowcy mogą wykorzystać pozorną jasność eksplozji, która maleje wraz z odległością, a także pomiary przesunięcia ku czerwieni jako znaczniki czasu i przestrzeni. Te informacje z kolei ujawniają, jak szybko wszechświat rozszerza się w różnych epokach, co jest następnie wykorzystywane do testowania teorii podstawowych składników wszechświata.
Przełomowe odkrycie w 1998 r. przyspieszonego wzrostu wszechświata nastąpiło dzięki badaniu supernowych typu Ia w ten sposób. Naukowcy przypisują ekspansję niewidzialnej energii, stąd nazywanej ciemną energią, nieodłącznie związanej z tkanką samego wszechświata. Kolejne dziesięciolecia prac kontynuowały kompilację coraz większych zbiorów danych, ujawniając supernowe w jeszcze szerszym zakresie przestrzeni i czasu, a Pantheon+ połączył je teraz w najbardziej solidną statystycznie analizę do tej pory.
„Pod wieloma względami ta najnowsza analiza Pantheon+ jest zwieńczeniem ponad dwóch dekad wytężonych wysiłków obserwatorów i teoretyków z całego świata w odszyfrowaniu istoty kosmosu” – mówi Adam Riess, jeden z laureatów Nagrody Nobla z 2011 roku w Fizyka za odkrycie przyspieszającej ekspansji wszechświata i Bloomberg Distinguished Professor na Johns Hopkins University (JHU) i Space Telescope Science Institute w Baltimore, Maryland. Riess jest również absolwentem Uniwersytetu Harvarda, doktorem astrofizyki.
Własna kariera Brouta w kosmologii sięga czasów licencjackich w JHU, gdzie uczył go i doradzał Riess. Tam Brout pracował z ówczesnym doktorantem i doradcą Riess Danem Scolnicem, który obecnie jest adiunktem fizyki na Duke University i innym współautorem nowej serii artykułów.
Kilka lat temu Scolnic opracował oryginalną analizę Panteonu około 1000 supernowych.
Teraz Brout i Scolnic oraz ich nowy zespół Pantheon+ dodali około 50 procent więcej punktów danych dotyczących supernowych w Pantheon+, w połączeniu z ulepszeniami technik analizy i eliminacją potencjalnych źródeł błędów, co ostatecznie dało dwukrotnie większą precyzję niż oryginalny Pantheon.
„Ten skok zarówno w jakości zestawu danych, jak i w naszym zrozumieniu fizyki, która stanowi jego podstawę, nie byłby możliwy bez gwiezdnego zespołu studentów i współpracowników, którzy pilnie pracowali nad ulepszeniem każdego aspektu analizy” – mówi Brout.
Biorąc dane jako całość, nowa analiza wskazuje, że 66,2% wszechświata manifestuje się jako ciemna energia, a pozostałe 33,8% to połączenie ciemnej materii i materii. Aby uzyskać jeszcze pełniejsze zrozumienie składowych składników Wszechświata w różnych epokach, Brout i współpracownicy połączyli Pantheon+ z innymi silnie udokumentowanymi, niezależnymi i uzupełniającymi pomiarami wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz pomiarami pochodzącymi od najwcześniejszego światła we Wszechświecie. wszechświat, kosmiczne mikrofalowe tło.
Inny kluczowy wynik Pantheon+ odnosi się do jednego z nadrzędnych celów współczesnej kosmologii: ustalenia obecnego tempa ekspansji wszechświata, znanego jako stała Hubble’a. Połączenie próbki Pantheon+ z danymi ze współpracy SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) prowadzonej przez Riessa daje najbardziej rygorystyczne lokalne pomiary aktualnego tempa ekspansji Wszechświata.
Pantheon+ i SH0ES wspólnie wyznaczają stałą Hubble’a na poziomie 73,4 kilometrów na sekundę na megaparsek z niepewnością zaledwie 1,3%. Innymi słowy, na każdy megaparsek, czyli 3,26 miliona lat świetlnych, analiza szacuje, że w pobliskim wszechświecie sama przestrzeń rozszerza się z prędkością ponad 160 000 mil na godzinę.
Jednak obserwacje z zupełnie innej epoki historii wszechświata przepowiadają inną historię. Pomiary najwcześniejszego światła Wszechświata, mikrofalowego tła kosmicznego, w połączeniu z aktualnym Standardowym Modelem Kosmologii, konsekwentnie ustalają stałą Hubble’a w tempie znacznie niższym niż obserwacje wykonane za pomocą supernowych typu Ia i innych markerów astrofizycznych. Ta znaczna rozbieżność między dwiema metodologiami została nazwana napięciem Hubble’a.
Nowe zestawy danych Pantheon+ i SH0ES zwiększają napięcie Hubble’a. W rzeczywistości napięcie przekroczyło już ważny próg 5 sigma (około jedna na milion szans na powstanie w wyniku losowego przypadku), którego fizycy używają do rozróżnienia między możliwymi statystycznymi przypadkami a czymś, co należy odpowiednio zrozumieć. Osiągnięcie tego nowego poziomu statystycznego podkreśla wyzwanie zarówno dla teoretyków, jak i astrofizyków, aby spróbować wyjaśnić stałą rozbieżność Hubble’a.
„Pomyśleliśmy, że możliwe będzie znalezienie wskazówek dotyczących nowatorskiego rozwiązania tych problemów w naszym zbiorze danych, ale zamiast tego stwierdzamy, że nasze dane wykluczają wiele z tych opcji, a głębokie rozbieżności pozostają tak uparte, jak zawsze” – mówi Brout. .
Wyniki Pantheon+ mogą pomóc wskazać, gdzie leży rozwiązanie napięcia Hubble’a. „Wiele ostatnich teorii zaczęło wskazywać na egzotyczną nową fizykę we wczesnym wszechświecie, jednak takie niezweryfikowane teorie muszą wytrzymać proces naukowy, a napięcie Hubble’a nadal stanowi poważne wyzwanie” – mówi Brout.
Ogólnie rzecz biorąc, Pantheon+ oferuje naukowcom kompleksowy przegląd większości kosmicznej historii. Najwcześniejsze i najbardziej odległe supernowe w zbiorze danych błyszczą z odległości 10,7 miliarda lat świetlnych, co oznacza, że Wszechświat miał mniej więcej jedną czwartą swojego obecnego wieku. W tamtej wcześniejszej epoce ciemna materia i związana z nią grawitacja utrzymywały tempo ekspansji wszechświata pod kontrolą. Taki stan rzeczy zmienił się dramatycznie w ciągu następnych kilku miliardów lat, gdy wpływ ciemnej energii przytłaczał wpływ ciemnej materii. Od tego czasu ciemna energia rozrzucała zawartość kosmosu coraz bardziej od siebie i w coraz szybszym tempie.
„Dzięki temu połączonemu zestawowi danych Pantheon+ uzyskujemy dokładny obraz Wszechświata od czasu, gdy był zdominowany przez ciemną materię, do momentu, gdy Wszechświat został zdominowany przez ciemną energię” – mówi Brout. „Ten zestaw danych jest wyjątkową okazją, aby zobaczyć włączanie się ciemnej energii i napędzanie ewolucji kosmosu w największych skalach w teraźniejszości”.
Mam nadzieję, że badanie tego przejścia teraz z jeszcze silniejszymi dowodami statystycznymi doprowadzi do nowych wglądów w enigmatyczną naturę ciemnej energii.
„Panteon+ daje nam najlepszą jak dotąd szansę ograniczenia ciemnej energii, jej pochodzenia i ewolucji” – mówi Brout.