Māksliniecisks iespaids par divām balto punduru zvaigznēm, kas saplūst un rada Ia tipa supernovu. Kredīts: ESO/L. Calsada
Vairāk nekā divus gadu desmitus ilgušo supernovas sprādzienu analīze pārliecinoši atbalsta mūsdienu kosmoloģiskās teorijas un atdzīvina centienus atbildēt uz pamatjautājumiem.
Astrofiziķi ir veikuši spēcīgu jaunu analīzi, kas nosaka visu laiku precīzākos Visuma veidošanās un evolūcijas ierobežojumus. Izmantojot šo analīzi ar iesauku Panteons+, kosmologi nonāk krustcelēs.
Pantheon+ pārliecinoši apgalvo, ka Visumu veido apmēram divas trešdaļas tumšās enerģijas un vienu trešdaļu matērijas – galvenokārt tumšās matērijas veidā – un pēdējo miljardu gadu laikā tas ir paplašinās ar paātrinātu ātrumu. Tomēr Pantheon+ arī nostiprina lielu strīdu par šīs neatrisinātās paplašināšanās tempu.
Novietojot dominējošās mūsdienu kosmoloģiskās teorijas, kas pazīstamas kā kosmoloģijas standarta modelis, uz stingrākiem pierādījumiem un statistikas pamatiem, Pantheon+ arī aizver durvis alternatīviem ietvariem, kas ņem vērā tumšā enerģija Un tumšā matērija. Abi ir kosmoloģijas standarta modeļa stūrakmeņi, taču tie vēl nav tieši atklāti. Tās ir vienas no modeles lielākajām mīklām. Sekojot Pantheon+ rezultātiem, pētnieki tagad var veikt precīzākus novērojumu testus un precizēt šķietamā Visuma skaidrojumus.
G299 atstāja noteikta supernovu klase, ko sauc par Ia tipu. Pateicība: NASA/CXC/U.Texas
“Ar šiem Pantheon+ rezultātiem mēs varam noteikt visprecīzākos ierobežojumus Visuma dinamikai un vēsturei,” saka Dilons Prouts, Einšteina līdzstrādnieks Astrofizikas centrā. Hārvarda un Smitsona. “Mēs esam izpētījuši datus un tagad varam ar lielāku pārliecību nekā jebkad agrāk teikt, kā Visums ir attīstījies gadu gaitā un ka pašreizējās labākās teorijas par tumšo enerģiju un tumšo vielu ir spēcīgas.”
Pruits ir vadošais autors vairākām publikācijām, kas apraksta jauno Panteons + analīzetika kopīgi publicēts 19. oktobrī īpašā izdevumā Astrofizikas žurnāls.
Pantheon+ pamatā ir lielākā šāda veida datu kopa, kurā ir vairāk nekā 1500 zvaigžņu uzliesmojumu, ko sauc par Ia tipa supernovām. Šie spilgti sprādzieni notiek, kad[{” 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.
Revolucionārais atklājums par Visuma augšanas paātrināšanos 1998. gadā tika panākts, pateicoties Ia tipa supernovu izpētei šādā veidā. Zinātnieki šo izplešanos saista ar neredzamo enerģiju, un tāpēc to sauc par tumšo enerģiju, kas ir raksturīga paša Visuma audumam. Turpmākās desmitgades ilgas darba ir turpinājušas apkopot arvien lielākas datu kopas, atklājot supernovas plašākā telpas un laika diapazonā, un Pantheon+ tagad ir apvienojis tās līdz šim spēcīgākajā statistiskajā analīzē.
Saka Adams Rīss, viens no 2011. gada Nobela prēmijas fizikā ieguvējiem par Visuma paātrinātās izplešanās atklāšanu un Blumberga izcilais profesors. Džona Hopkinsa universitāte (JHU) un Kosmosa teleskopa zinātnes institūts Baltimorā, Merilendā. Rīsa ir arī absolvējusi Hārvardu un ieguvusi doktora grādu astrofizikā.
“Izmantojot šo apvienoto Pantheon+ datu kopu, mēs iegūstam precīzu priekšstatu par kosmosu no laika, kad tumšā matērija dominēja Visumā, kurā dominēja tumšā enerģija.” – Dilons Bruts
Pruita karjera kosmoloģijā aizsākās viņa bakalaura gados Džona Hopkinsa universitātē, kur viņu pasniedza un konsultēja Rīsa. Tur Pruits strādāja kopā ar Denu Skolniku, toreizējo doktorantu un Reisa padomnieku, kurš tagad ir Djūka universitātes fizikas docents un vēl viens līdzautors jaunajā papīra sērijā.
Pirms vairākiem gadiem Skolnik izstrādāja oriģinālo panteona analīzi aptuveni 1000 supernovu.
Tagad Brouts, Scolnic un viņu jaunā komanda ir pievienojuši Pantheon+ par aptuveni 50 procentiem vairāk supernovas datu punktu Pantheon+, kā arī uzlabojumus analīzes metodēs un iespējamo kļūdu avotu apstrādē, kas galu galā izraisīja sliktu sākotnējā Pantheon precizitāti.
“Šis lēciens datu kopas kvalitātē un mūsu izpratne par fiziku, kas ir tā pamatā, nebūtu bijis iespējams bez izcilas studentu un līdzstrādnieku komandas, kas smagi strādā, lai uzlabotu katru analīzes aspektu,” saka Pruits.
Aplūkojot datus kopumā, jaunajā analīzē redzams, ka 66,2% Visuma parādās kā tumšā enerģija, bet atlikušie 33,8% ir matērijas un tumšās vielas maisījums. Lai iegūtu vispusīgāku izpratni par Visuma sastāvdaļām dažādos laikmetos, Brouts un kolēģi apvienoja Pantheon+ ar citiem stingri pārbaudītiem, neatkarīgiem, Visuma liela mēroga struktūras papildinošiem mērogiem un mērījumiem no Visuma tuvākās gaismas. Kosmiskais mikroviļņu fons.
“Ar šiem Pantheon+ rezultātiem mēs varam noteikt visprecīzākos Visuma dinamikas un vēstures ierobežojumus līdz šim.” – Dilons Bruts
Vēl viens nozīmīgs Pantheon+ rezultāts ir saistīts ar vienu no galvenajiem mūsdienu kosmoloģijas mērķiem: noteikt pašreizējo Visuma izplešanās ātrumu, kas pazīstams kā Habla konstante. Pantheon+ parauga apkopošana ar datiem no SH0ES (stāvokļa vienādojuma Supernova H0), ko vadīja Rīsa, rada visstingrākos lokālos Visuma pašreizējā izplešanās ātruma mērījumus.
Allanthion+ un SH0ES kopā atrod Habla konstanti 73,4 kilometrus sekundē uz megaparseku ar tikai 1,3% nenoteiktību. Citiem vārdiem sakot, uz katru megaparseku jeb 3,26 miljoniem gaismas gadu, analīze lēš, ka tuvējā Visumā pati telpa izplešas ar ātrumu vairāk nekā 160 000 jūdžu stundā.
Taču novērojumi no pavisam cita laikmeta Visuma vēsturē paredz citu stāstu. Visuma vecākās gaismas, kosmiskā mikroviļņu fona, mērījumi, apvienojumā ar pašreizējo kosmoloģijas standarta modeli, konsekventi apstiprina Habla konstanti ar ātrumu, kas ir daudz zemāks nekā novērojumi, kas veikti, izmantojot Ia tipa supernovu un citus astrofiziskus marķierus. Šo lielo neatbilstību starp abām metodoloģijām sauc par Habla spriedzi.
Jaunās Pantheon+ un SH0ES datu kopas pastiprina Habla spriedzi. Faktiski spriedze tagad ir šķērsojusi svarīgo 5 sigmu slieksni (iespējamība, ka nejaušas nejaušības dēļ notiks viens no miljona), ko fiziķi izmanto, lai atšķirtu iespējamo statistisko iespēju un kaut ko, kas attiecīgi jāsaprot. Šī jaunā statistikas līmeņa sasniegšana parāda izaicinājumu, ar kuru saskaras gan teorētiķi, gan astrofiziķi, mēģinot izskaidrot Habla konstantes nekonsekvenci.
“Mēs domājām, ka mūsu datu kopā būtu iespējams atrast pierādījumus jaunam šo problēmu risinājumam, taču tā vietā mēs atklājām, ka mūsu dati izslēdz daudzas no šīm iespējām un ka dziļās neatbilstības joprojām ir tikpat neatrisināmas kā jebkad,” saka Brouts.
Pantheon+ rezultāti var palīdzēt norādīt, kur izzūd Habla spriedze. “Daudzas mūsdienu teorijas sāk norādīt uz dīvainu jaunu fiziku agrīnajā Visumā, tomēr šādām nepārbaudītām teorijām ir jāiztur zinātniskais process, un Habla spriedze joprojām ir milzīgs izaicinājums,” saka Pruits.
Kopumā Pantheon+ piedāvā zinātniekiem visaptverošu atskatu uz lielāko daļu kosmiskās vēstures. Datu kopas vecākā un vistālāk esošā supernova mirdz 10,7 miljardu gaismas gadu attālumā, jo Visums bija aptuveni ceturtdaļa no tā pašreizējā vecuma. Tajā agrākajā laikmetā tumšā matērija un ar to saistītā gravitācija kontrolēja Visuma izplešanās ātrumu. Šāda situācija krasi mainījās nākamo vairāku miljardu gadu laikā, jo tumšās enerģijas ietekme aizēnoja tumšās matērijas ietekmi. Kopš tā laika tumšā enerģija ir nobīdījusi Visuma saturu atsevišķi un arvien pieaugošā ātrumā.
“Izmantojot šo apvienoto Pantheon+ datu kopu, mēs iegūstam precīzu priekšstatu par Visumu no laika, kad tumšajā matērijā dominēja tumšā enerģija,” saka Pruits. “Šī datu kopa ir unikāla iespēja redzēt tumšo enerģiju darbā un virzīt Visuma attīstību visaugstākajā līmenī pašreizējā laikā.”
Mēs ceram, ka šo izmaiņu izpēte tagad ar spēcīgākiem statistikas pierādījumiem radīs jaunu ieskatu noslēpumainās tumšās enerģijas dabā.
“Pantheon+ sniedz mums vislabāko iespēju ierobežot tumšo enerģiju, tās izcelsmi un attīstību,” saka Pruits.
Atsauce: Dilons Pruits, Dens Skolniks, Brodijs Popovičs, Ādams J. Rīss, Entonijs Karrs, Džo Zoncs, Riks Keslers, Tamāra M. Deivisa, Semjuels Hintons, Deivids Džonss, V. Darsijs Kenvorts, “Panteons + analīze: kosmiskie ierobežojumi”, Ēriks R. Pītersons, Haleds Sīds, Džordžija Teilore, Nūra Ali, Patriks Ārmstrongs, Pranavs Šarvo, Ariana Dumoha, Kols Muldorfs, Antonella Palmesa, Helēna Ko, Bendžamins M. Rouzs, Bruno Sančess, Kristofers V. Stubs, Marija Vinčenci, Šarlote M. Vuda, Pīters Dž. Brauns, Rebeka Čina, Kens Čemberss, Deivids A. Kulters, Maija diena, Džordžs Demetriadis, Aleksejs F. Filipenko, Raiens Dž. Folijs, Saurabs Džha, Liza Kelsija, Roberts B Kirhners, Anis Mullers, Džese Muirs, Sešadri Nadtors , Jena Čin Pana, Armīns Rists, Sezars Rojass Bravo, Masao Sako, Metjū Seiberts, Mets Smits, Bendžamins E. Stāls un Fils Visemans, 2022. gada 19. oktobris, Astrofizikas žurnāls.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04
