Supernova-explosies onthullen precieze details van donkere energie en donkere materie

Type Ia Supernova

Artistieke impressie van twee witte dwergsterren die samensmelten en een Type Ia supernova creëren. Krediet: ESO/L. Calçada

Een analyse van meer dan twee decennia aan supernova-explosies geeft een overtuigende boost aan moderne kosmologische theorieën en stimuleert de inspanningen om fundamentele vragen te beantwoorden.

Er is een krachtige nieuwe analyse uitgevoerd door astrofysici die de meest precieze limieten ooit stelt aan de samenstelling en evolutie van het universum. Met deze analyse, Pantheon+ genaamd, bevinden kosmologen zich op een kruispunt.

Pantheon+ vindt op overtuigende wijze dat de kosmos voor ongeveer tweederde uit donkere energie en voor een derde uit materie bestaat – voornamelijk in de vorm van donkere materie – en dat de kosmos zich de afgelopen miljard jaar in een steeds sneller tempo uitbreidt. Pantheon+ bevestigt echter ook een groot meningsverschil over het tempo van die uitbreiding die nog moet worden opgelost.

Door de heersende moderne kosmologische theorieën, bekend als het standaardmodel van de kosmologie, op nog steviger bewijskrachtige en statistische basis te plaatsen, sluit Pantheon+ de deur verder voor alternatieve raamwerken die rekening houden met donkere energie en donkere materie. Beide zijn fundamenten van het standaardmodel van de kosmologie, maar moeten nog direct worden gedetecteerd. Ze behoren tot de grootste mysteries van het model. In navolging van de resultaten van Pantheon+ kunnen onderzoekers nu nauwkeurigere observatietests nastreven en verklaringen voor de ogenschijnlijke kosmos aanscherpen.

G299 Type Ia Supernova

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

„Met deze Pantheon+-resultaten zijn we in staat om de dynamiek en geschiedenis van het universum tot nu toe zo nauwkeurig mogelijk in te perken“, zegt Dillon Brout, een Einstein Fellow bij het Center for Astrophysics | Harvard en Smithsonian. „We hebben de gegevens gecombineerd 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 voor donkere energie en donkere materie standhouden.“

Brout is de hoofdauteur van een reeks artikelen waarin de nieuwe Pantheon+-analyse wordt beschreven, die op 19 oktober gezamenlijk is gepubliceerd in een speciale uitgave van Het astrofysische tijdschrift.

Pantheon+ is gebaseerd op de grootste dataset in zijn soort, bestaande uit meer dan 1.500 stellaire explosies, Type Ia-supernova’s genaamd. Deze heldere ontploffing treedt 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 in 1998 van de versnellende groei van het universum was te danken aan een studie van Type Ia-supernova’s op deze manier. Wetenschappers schrijven de expansie toe aan een onzichtbare energie, daarom donkere energie genoemd, die inherent is aan het weefsel van het universum zelf. De daaropvolgende decennia van werk zijn doorgegaan met het samenstellen van steeds grotere datasets, waarbij supernova’s in een nog groter bereik van ruimte en tijd zijn onthuld, en Pantheon+ heeft ze nu samengebracht in de meest statistisch robuuste analyse tot nu toe.

„In veel opzichten is deze nieuwste Pantheon+-analyse het resultaat van meer dan twee decennia ijverige inspanningen van waarnemers en theoretici over de hele wereld om de essentie van de kosmos te ontcijferen“, zegt Adam Riess, een van de winnaars van de Nobelprijs voor 2011 in Natuurkunde voor de ontdekking van de versnellende uitdijing van het heelal en de Bloomberg Distinguished Professor aan de Johns Hopkins University (JHU) en het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Riess is ook een alumnus van Harvard University en is gepromoveerd in astrofysica.

„Met deze gecombineerde Pantheon+-dataset krijgen we een nauwkeurig beeld van het universum vanaf het moment dat het werd gedomineerd door donkere materie tot het moment waarop het universum werd gedomineerd door donkere energie.“ — Dillon Brout

Brouts eigen carrière in de kosmologie gaat terug tot zijn niet-gegradueerde jaren bij JHU, waar hij werd onderwezen en geadviseerd door Riess. Daar werkte Brout samen met de toenmalige PhD-student en Riess-adviseur Dan Scolnic, die nu een assistent-professor natuurkunde is aan Duke University en een andere co-auteur van de nieuwe reeks papers.

Enkele jaren geleden ontwikkelde Scolnic de originele Pantheon-analyse van ongeveer 1.000 supernova’s.

Nu hebben Brout en Scolnic en hun nieuwe Pantheon+-team zo’n 50 procent meer supernova-gegevenspunten toegevoegd aan Pantheon+, in combinatie met verbeteringen in analysetechnieken en het aanpakken van mogelijke foutenbronnen, wat uiteindelijk heeft geleid tot tweemaal de precisie van het originele Pantheon.

„Deze sprong in zowel de kwaliteit van de dataset als in ons begrip van de fysica die eraan ten grondslag ligt, zou niet mogelijk zijn geweest zonder een geweldig team van studenten en medewerkers die ijverig hadden gewerkt om elk facet van de analyse te verbeteren“, zegt Brout.

Als we de gegevens als geheel beschouwen, stelt de nieuwe analyse dat 66,2 procent van het universum zich manifesteert als donkere energie, terwijl de resterende 33,8 procent een combinatie is van donkere materie en materie. Om tot een nog uitgebreider begrip te komen van de samenstellende componenten van het universum in verschillende tijdperken, combineerden Brout en collega’s Pantheon+ met andere sterk bewezen, onafhankelijke en complementaire metingen van de grootschalige structuur van het universum en met metingen van het vroegste licht in het heelal, de kosmische microgolfachtergrond.

„Met deze Pantheon+-resultaten zijn we in staat om de meest precieze beperkingen op te leggen aan de dynamiek en geschiedenis van het universum tot nu toe.“ — Dillon Brout

Een ander belangrijk Pantheon+-resultaat heeft betrekking op een van de belangrijkste doelen van de moderne kosmologie: het vaststellen van de huidige expansiesnelheid van het universum, bekend als de Hubble-constante. Het samenvoegen van het Pantheon+-monster met gegevens van de SH0ES-samenwerking (Supernova H0 for the Equation of State), geleid door Riess, resulteert in de strengste lokale meting van de huidige expansiesnelheid van het universum.

Pantheon+ en SH0ES vinden samen een 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 van de geschiedenis van het universum voorspellen echter een ander verhaal. Metingen van het vroegste licht van het universum, de kosmische microgolfachtergrond, koppelen, in combinatie met het huidige standaardmodel van de kosmologie, de Hubble-constante consequent aan een snelheid die aanzienlijk lager is dan waarnemingen die zijn gedaan via Type Ia-supernova’s en andere astrofysische markers. Deze aanzienlijke discrepantie tussen de twee methodologieën wordt de Hubble-spanning genoemd.

De nieuwe Pantheon+ en SH0ES datasets verhogen deze Hubble-spanning. In feite heeft de spanning nu de belangrijke 5-sigma-drempel overschreden (ongeveer één op een miljoen kans om te ontstaan ​​​​door willekeurig toeval) die natuurkundigen gebruiken om onderscheid te maken tussen mogelijke statistische toevalstreffers en iets dat dienovereenkomstig moet worden begrepen. Het bereiken van dit nieuwe statistische niveau benadrukt de uitdaging voor zowel theoretici als astrofysici om te proberen de constante discrepantie van Hubble te verklaren.

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

De resultaten van Pantheon+ zouden kunnen helpen om aan te geven waar de oplossing voor de Hubble-spanning ligt. „Veel recente theorieën beginnen te wijzen op exotische nieuwe fysica in het zeer vroege universum, maar dergelijke niet-geverifieerde theorieën moeten het wetenschappelijke proces doorstaan ​​en de Hubble-spanning blijft een grote uitdaging“, zegt Brout.

Over het algemeen biedt Pantheon+ wetenschappers een uitgebreide terugblik door een groot deel van de kosmische geschiedenis. De vroegste, meest verre supernova’s in de dataset schitteren op een afstand van 10,7 miljard lichtjaar, wat betekent vanaf het moment dat het universum ongeveer een kwart van zijn huidige leeftijd was. In dat vroegere tijdperk hielden donkere materie en de bijbehorende zwaartekracht de uitdijingssnelheid van het universum onder controle. Een dergelijke stand van zaken veranderde dramatisch in de loop van de volgende miljarden jaren toen de invloed van donkere energie die van donkere materie overweldigde. Sindsdien heeft donkere energie de inhoud van de kosmos steeds verder uit elkaar geslingerd en in een steeds sneller tempo.

„Met deze gecombineerde Pantheon+-dataset krijgen we een nauwkeurig beeld van het universum vanaf het moment dat het werd gedomineerd door donkere materie tot het moment waarop het universum werd gedomineerd door donkere energie“, zegt Brout. „Deze dataset is een unieke kans om donkere energie te zien inschakelen en de evolutie van de kosmos op de grootste schalen door de huidige tijd heen te sturen.“

Het nu bestuderen van deze omschakeling met nog sterker statistisch bewijs zal hopelijk leiden tot nieuwe inzichten in de raadselachtige aard van donkere energie.

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

Referentie: „The Pantheon+ Analysis: Cosmological Constraints“ door Dillon Brout, Dan Scolnic, Brodie Popovic, Adam G. Riess, Anthony Carr, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, W. D’Arcy Kenworthy, Erik R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmese, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexei V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh W. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirshner, Anais Möller, Jessie Muir, Seshadri Nadathur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sako, Matthew R. Siebert, Mat Smith, Benjamin E. Stahl en Phil Wiseman, 19 oktober 2022, Het astrofysische tijdschrift.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert