W 1998 roku astrofizycy odkryli, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, co przypisuje się tajemniczej istocie zwanej ciemną energią, która stanowi około 70% naszego Wszechświata. Choć zapowiadane przez wcześniejsze pomiary, odkrycie było pewnym zaskoczeniem; w tamtym czasie astrofizycy zgodzili się, że ekspansja Wszechświata powinna spowalniać z powodu grawitacji.
To rewolucyjne odkrycie, którego astrofizycy dokonali dzięki obserwacjom określonych rodzajów eksplodujących gwiazd, zwanych supernowymi typu Ia (czytaj „typu pierwszego A”), zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2011 roku.
Teraz, 25 lat po pierwszym odkryciu, naukowcy pracujący w ramach badania Dark Energy Survey opublikowali wyniki bezprecedensowej analizy wykorzystującej tę samą technikę w celu dalszego zgłębiania tajemnic ciemnej energii i ekspansji wszechświata. Nałożyli najsurowsze ograniczenia na ekspansję Wszechświata, jakie kiedykolwiek uzyskano w ramach przeglądu supernowych DES.
W prezentacji na 243. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego 8 stycznia oraz w artykule przesłanym do Astrophysical Journal w styczniu zatytułowanym „The Dark Energy Survey: Cosmology Results with ~1500 nowych supernowych typu Ia o wysokim przesunięciu ku czerwieni przy użyciu pełnego Zbiór danych z 5 lat” – astrofizycy DES podają wyniki zgodne z obecnie standardowym modelem kosmologicznym Wszechświata z przyspieszoną ekspansją. Jednak ustalenia nie są na tyle ostateczne, aby wykluczyć potencjalnie bardziej złożony model.
Zastosowanie unikalnego podejścia do analizy
Badanie Dark Energy Survey to międzynarodowa współpraca obejmująca ponad 400 astrofizyków, astronomów i kosmologów z ponad 25 instytucji, pod przewodnictwem członków Fermi National Accelerator Laboratory przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych. DES sporządził mapę obszaru prawie jednej ósmej całego nieba za pomocą Dark Energy Camera, 570-megapikselowego aparatu cyfrowego zbudowanego przez Fermilab i ufundowanego przez Biuro Naukowe DOE. Został zamontowany na teleskopie Víctora M. Blanco w Obserwatorium Międzyamerykańskim Cerro Tololo należącym do National Science Foundation, będącym programem NOIRLab NSF w 2012 roku. Naukowcy z DES zebrali dane z 758 nocy w ciągu sześciu lat.
Aby zrozumieć naturę ciemnej energii i zmierzyć tempo ekspansji Wszechświata, naukowcy z DES przeprowadzają analizy przy użyciu czterech różnych technik, w tym techniki supernowej zastosowanej w 1998 roku.
Technika ta wymaga danych dotyczących supernowych typu Ia, które mają miejsce, gdy niezwykle gęsta martwa gwiazda, znana jako biały karzeł, osiąga masę krytyczną i eksploduje. Ponieważ masa krytyczna jest prawie taka sama dla wszystkich białych karłów, wszystkie supernowe typu Ia mają w przybliżeniu tę samą rzeczywistą jasność, a wszelkie pozostałe różnice można skalibrować. Zatem kiedy astrofizycy porównują pozorną jasność dwóch supernowych typu Ia widzianych z Ziemi, mogą określić ich względne odległości od nas.
Astrofizycy śledzą historię kosmicznej ekspansji na podstawie dużych próbek supernowych rozciągających się na szeroki zakres odległości. Dla każdej supernowej łączą jej odległość z pomiarem przesunięcia ku czerwieni – szybkości oddalania się supernowej od Ziemi w wyniku ekspansji wszechświata. Mogą wykorzystać tę historię do ustalenia, czy gęstość ciemnej energii pozostała stała, czy też zmieniła się w czasie.
„Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata gęstość materii maleje” – powiedział dyrektor i rzecznik DES Rich Kron, naukowiec z Fermilabu i Uniwersytetu w Chicago. „Ale jeśli gęstość ciemnej energii jest stała, oznacza to, że całkowity udział ciemnej energii musi rosnąć wraz ze wzrostem objętości”.
Zwieńczenie dekady wysiłków
Standardowym modelem kosmologicznym jest ΛCDM, czyli Lambda Cold Dark Matter lub Lambda Cold Dark Matter, model oparty na stałej gęstości ciemnej energii w czasie kosmicznym. Mówi nam, jak ewoluuje wszechświat, wykorzystując zaledwie kilka cech, takich jak gęstość materii, rodzaj materii i zachowanie ciemnej energii. Metoda supernowej bardzo dobrze ogranicza dwie z tych cech: gęstość materii i wielkość zwaną w, która wskazuje, czy gęstość ciemnej energii jest stała, czy nie.
Według standardowego modelu kosmologicznego gęstość ciemnej energii we wszechświecie jest stała, co oznacza, że nie rozrzedza się ona w miarę rozszerzania się wszechświata. Jeśli to prawda, parametr oznaczony literą w powinien wynosić -1.
Kiedy w ramach współpracy DES wewnętrznie ujawniono wyniki supernowych, była to kulminacja wysiłków trwających dekadę i czas pełen emocji dla wielu zaangażowanych astrofizyków. „Trzęsłam się” – powiedziała Tamara Davis, profesor na Uniwersytecie Queensland w Australii i współprzewodnicząca grupy roboczej ds. supernowych DES. „To z pewnością był ekscytujący moment”.
Wyniki wykazały w = -0,80 +/- 0,18 przy użyciu samych supernowych. W połączeniu z uzupełniającymi danymi z teleskopu Plancka Europejskiej Agencji Kosmicznej w osiąga -1 w granicach słupków błędów. „w kusząco nie leży dokładnie na -1, ale na tyle blisko, że jest zgodne z -1” – powiedział Davis. „Może być potrzebny bardziej złożony model. Ciemna energia rzeczywiście może zmieniać się w czasie.”
Aby wyciągnąć ostateczne wnioski, naukowcy będą potrzebować więcej danych. Ale DES nie będzie w stanie tego zapewnić; badanie przestało zbierać dane w styczniu 2019 r. Zespół ds. supernowych, kierowany przez wielu doktorów. studenci i stażyści ze stopniem doktora wkrótce wyciągną wszystko, co tylko będą mogli z obserwacji DES.
„W analizę zaangażowanych było ponad 30 osób i stanowi ona zwieńczenie prawie 10 lat pracy” – powiedziała Maria Vincenzi, pracownik naukowy na Duke University, która współprowadziła analizę kosmologiczną próbki supernowej DES. „Niektórzy z nas rozpoczęli pracę nad tym projektem, gdy byliśmy zaledwie na początku doktoratu, a teraz rozpoczynamy pracę na stanowiskach wykładowców. Zatem współpraca DES przyczyniła się do wzrostu i rozwoju zawodowego całego pokolenia kosmologów. “
Pionierskie nowe podejście
Ta końcowa analiza supernowych DES wprowadziła wiele ulepszeń w porównaniu z pierwszym wynikiem supernowej DES opublikowanym w 2018 r., który obejmował zaledwie 207 supernowych i dane z trzech lat.
Na potrzeby analizy za rok 2018 naukowcy z DES połączyli dane dotyczące widma każdej supernowej, aby określić ich przesunięcia ku czerwieni i sklasyfikować je jako typu Ia lub nie. Następnie wykorzystali zdjęcia wykonane przy użyciu różnych filtrów, aby zidentyfikować strumień na szczycie krzywej blasku – metodą zwaną fotometrią. Jednak widma są trudne do uzyskania, wymagają długich obserwacji na największych teleskopach, co będzie niepraktyczne w przypadku przyszłych badań ciemnej energii, takich jak Legacy Survey of Space and Time (LSST), które będą prowadzone w Obserwatorium Very C. Rubin, zarządzanym wspólnie przez NOIRLab NSF i Narodowe Laboratorium Akceleratorów SLAC DOE.
Nowe badanie jest pionierem nowego podejścia do wykorzystania fotometrii – z niespotykanymi czterema filtrami – do wyszukiwania supernowych, klasyfikowania ich i pomiaru ich krzywych blasku. Dalsza spektroskopia galaktyki macierzystej za pomocą Teleskopu Anglo-Australijskiego zapewniła dokładne przesunięcia ku czerwieni dla każdej supernowej. Zastosowanie dodatkowych filtrów umożliwiło także uzyskanie bardziej precyzyjnych danych niż w poprzednich badaniach i stanowi znaczny postęp w porównaniu z nagrodzonymi Nagrodą Nobla próbkami supernowych, w których wykorzystano tylko jeden lub dwa filtry.
Naukowcy z projektu DES wykorzystali zaawansowane techniki uczenia maszynowego, aby pomóc w klasyfikacji supernowych. Wśród danych z około dwóch milionów odległych obserwowanych galaktyk DES znalazł kilka tysięcy supernowych. Ostatecznie naukowcy wykorzystali wysokiej jakości dane dotyczące 1499 supernowych typu Ia, co uczyniło z nich największą i najgłębszą próbkę supernowej pobraną kiedykolwiek przez pojedynczy teleskop. W 1998 roku zdobywcy Nagrody Nobla astronomowie wykorzystali zaledwie 52 supernowe, aby ustalić, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. „To naprawdę ogromne zwiększenie skali w porównaniu z 25 laty” – powiedział Davis.
Nowe podejście fotometryczne ma niewielkie wady w porównaniu ze spektroskopią: ponieważ supernowe nie mają widm, niepewność klasyfikacji jest większa. Jednak znacznie większy rozmiar próbki, jaki umożliwia podejście fotometryczne, z nawiązką to rekompensuje.
Innowacyjne techniki, których pionierem jest DES, będą kształtować i napędzać przyszłe analizy astrofizyczne. Projekty takie jak LSST Rubina i rzymski teleskop kosmiczny Nancy Grace należący do NASA będą kontynuowane w miejscu, w którym zakończył się DES. „Jesteśmy pionierami w zakresie technik, które przyniosą bezpośrednie korzyści w następnej generacji badań supernowych” – powiedział Kron.
„Ten nowy wynik supernowej jest ekscytujący, ponieważ oznacza, że naprawdę możemy zawiązać na nim kokardę, wręczyć go społeczności i powiedzieć: «To nasza najlepsza próba wyjaśnienia, jak działa wszechświat»” – powiedział Dillon Brout, asystent profesor na Uniwersytecie Bostońskim, który wraz z Vincenzim kierował analizą kosmologiczną próbki DES Supernova. „Te ograniczenia będą teraz przez jakiś czas złotym standardem w kosmologii supernowych”.
Nawet w obliczu zbliżających się bardziej zaawansowanych eksperymentów z ciemną energią naukowcy z DES podkreślili znaczenie posiadania modeli teoretycznych do wyjaśnienia ciemnej energii, oprócz obserwacji eksperymentalnych. „To wszystko jest naprawdę nieznanym terytorium” – powiedział Kron. „Nie mamy teorii, która umieszczałaby ciemną energię w ramach powiązanych z inną fizyką, którą rozumiemy. Na razie w DES pracujemy nad ograniczeniem działania ciemnej energii w praktyce, spodziewając się, że później niektóre teorie można sfałszować.”
Naukowcy korzystający z DES w dalszym ciągu wykorzystują wyniki supernowych w większej liczbie analiz, integrując je z wynikami uzyskanymi za pomocą innych technik DES. „Połączenie informacji o supernowych uzyskanych za pomocą DES z innymi sondami jeszcze lepiej wzbogaci nasz model kosmologiczny” – powiedział Davis.
„Nawet jeśli mierzymy ciemną energię z nieskończoną dokładnością, nie oznacza to, że wiemy, co to jest” – powiedziała. „Ciemna energia wciąż czeka na odkrycie.”