Astrofizycy przeprowadzili nową, potężną analizę, która nakłada najbardziej precyzyjne ograniczenia na skład i ewolucję wszechświata. Dzięki tej analizie, nazwanej Pantheon+, kosmolodzy znaleźli się na rozdrożu.
Pantheon+ przekonuje, że kosmos składa się w około dwóch trzecich z ciemnej energii i jednej trzeciej z materii – głównie w postaci ciemnej materii – i rozszerza się w coraz szybszym tempie w ciągu ostatnich kilku miliardów lat. Jednak Pantheon+ cementuje również poważny spór dotyczący tempa tej ekspansji, który nie został jeszcze rozwiązany.
Stawiając dominujące współczesne teorie kosmologiczne, znane jako Model Standardowy Kosmologii, na jeszcze mocniejszej podstawie dowodowej i statystycznej, Pantheon+ jeszcze bardziej zamyka drzwi przed alternatywnymi strukturami uwzględniającymi ciemną energię i ciemną materię. Oba te zjawiska są podstawą Modelu Standardowego Kosmologii, ale nie zostały jeszcze bezpośrednio wykryte i stanowią jedną z największych tajemnic tego modelu. Dzięki wynikom Pantheon+, naukowcy mogą teraz przeprowadzić bardziej precyzyjne testy obserwacyjne i udoskonalić wyjaśnienia pozornego kosmosu.
„Z tymi wynikami Pantheon+ jesteśmy w stanie położyć najbardziej precyzyjne ograniczenia na dynamikę i historię wszechświata do tej pory,” mówi Dillon Brout, Einstein Fellow w Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „Przeczesaliśmy dane i możemy teraz powiedzieć z większą pewnością niż kiedykolwiek wcześniej, jak wszechświat ewoluował przez eony i że obecne najlepsze teorie dotyczące ciemnej energii i ciemnej materii trzymają się mocno”.
Brout jest głównym autorem serii prac opisujących nową analizę Pantheon+, opublikowanych wspólnie dzisiaj w specjalnym wydaniu The Astrophysical Journal.
Pantheon+ opiera się na największym zbiorze danych tego rodzaju, obejmującym ponad 1500 eksplozji gwiezdnych zwanych supernami typu Ia. Te jasne wybuchy mają miejsce, gdy białe karły – pozostałości po gwiazdach takich jak nasze Słońce – gromadzą zbyt dużą masę i przechodzą reakcję termojądrową. Ponieważ supernowe typu Ia przyćmiewają całe galaktyki, gwiezdne detonacje można dostrzec w odległościach przekraczających 10 miliardów lat świetlnych, czyli przez około trzy czwarte całkowitego wieku Wszechświata. Biorąc pod uwagę, że supernowe świecą z niemal jednakową jasnością wewnętrzną, naukowcy mogą wykorzystać jasność pozorną wybuchów, która maleje wraz z odległością, wraz z pomiarami przesunięcia ku czerwieni jako znaczniki czasu i przestrzeni. Ta informacja z kolei ujawnia, jak szybko wszechświat rozszerza się w różnych epokach, co jest następnie wykorzystywane do testowania teorii podstawowych składników wszechświata.
Przełomowe odkrycie w 1998 roku przyspieszającego wzrostu wszechświata było możliwe dzięki badaniu w ten sposób supernowych typu Ia. Naukowcy przypisują ekspansję niewidzialnej energii, dlatego nazwali ją ciemną energią, nieodłącznie związaną z tkanką samego wszechświata. W kolejnych dekadach pracy gromadzono coraz większe zbiory danych, ujawniając supernowe w jeszcze szerszym zakresie przestrzeni i czasu, a Pantheon+ zebrał je teraz w najbardziej solidną statystycznie analizę do tej pory.
„Pod wieloma względami ta najnowsza analiza Pantheon+ jest kulminacją ponad dwóch dekad sumiennych wysiłków obserwatorów i teoretyków na całym świecie w rozszyfrowaniu istoty kosmosu” – mówi Adam Riess, jeden z laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 2011 roku 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, posiadającym tytuł doktora astrofizyki.
Kariera Brouta w kosmologii sięga czasów studiów w JHU, gdzie był uczony i doradzany przez Riessa. Brout pracował tam z Danem Scolniciem, który jest obecnie adiunktem fizyki na Uniwersytecie Duke’a i kolejnym współautorem nowej serii prac.
Kilka lat temu Scolnic opracował oryginalną analizę Pantheon obejmującą około 1000 supernowych.
Teraz Brout i Scolnic oraz ich nowy zespół Pantheon+ dodali w Pantheon+ około 50 procent więcej punktów danych o supernowych, w połączeniu z ulepszeniami w technikach analizy i rozwiązywaniem potencjalnych źródeł błędów, co ostatecznie dało dwukrotnie większą precyzję niż oryginalny Pantheon.
„Ten skok zarówno w jakości zbioru danych, jak i w naszym zrozumieniu fizyki, która leży u jego podstaw, nie byłby możliwy bez znakomitego zespołu studentów i współpracowników, którzy pilnie pracowali nad poprawą każdego aspektu analizy,” mówi Brout.
Biorąc pod uwagę całość danych, nowa analiza stwierdza, że 66,2 procent wszechświata przejawia się jako ciemna energia, a pozostałe 33,8 procent to połączenie ciemnej materii i materii. Aby uzyskać jeszcze bardziej kompleksowe zrozumienie składników wszechświata w różnych epokach, Brout i współpracownicy połączyli Pantheon+ z innymi silnie potwierdzonymi, niezależnymi i uzupełniającymi się pomiarami wielkoskalowej struktury wszechświata oraz z pomiarami najwcześniejszego światła we wszechświecie, kosmicznego mikrofalowego tła.
Inny kluczowy wynik Pantheon+ odnosi się do jednego z najważniejszych celów współczesnej kosmologii: ustalenia obecnego tempa ekspansji wszechświata, znanego jako stała Hubble’a. Połączenie próbki Pantheon+ z danymi pochodzącymi z projektu SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), prowadzonego przez Riessa, daje najbardziej rygorystyczny lokalny pomiar obecnego tempa ekspansji wszechświata.
Pantheon+ i SH0ES wspólnie ustalają stałą Hubble’a na poziomie 73,4 kilometrów na sekundę na megaparsek z niepewnością zaledwie 1,3%. Mówiąc inaczej, na każdy megaparsek, czyli 3,26 miliona lat świetlnych, analiza szacuje, że w pobliskim wszechświecie sama przestrzeń rozszerza się z prędkością ponad 160 tysięcy mil na godzinę.
Jednak obserwacje z zupełnie innej epoki historii wszechświata przewidują inną historię. Pomiary najwcześniejszego światła we wszechświecie, kosmicznego tła mikrofalowego, w połączeniu z obecnym Standardowym Modelem Kosmologii, konsekwentnie ustalają stałą Hubble’a w tempie, które jest znacznie mniejsze niż obserwacje dokonane poprzez supernowe typu Ia i inne znaczniki astrofizyczne. Ta znaczna rozbieżność pomiędzy tymi dwoma metodologiami została nazwana napięciem Hubble’a.
Nowe zestawy danych Pantheon+ i SH0ES zwiększają to napięcie. W rzeczywistości, napięcie to przekroczyło obecnie ważny próg 5-sigma (około jedna na milion szans na powstanie w wyniku przypadku), którego fizycy używają do rozróżnienia pomiędzy możliwymi statystycznymi fluksami a czymś, co musi być odpowiednio zrozumiane. Osiągnięcie tego nowego poziomu statystycznego podkreśla wyzwanie zarówno dla teoretyków, jak i astrofizyków, którzy próbują wyjaśnić rozbieżności dotyczące stałej Hubble’a.
„Myśleliśmy, że w naszym zbiorze danych będzie można znaleźć wskazówki do nowatorskiego rozwiązania tych problemów, ale zamiast tego okazuje się, że nasze dane wykluczają wiele z tych opcji i że głębokie rozbieżności pozostają tak samo uparte jak zawsze” – mówi Brout.
Wyniki Pantheon+ mogą pomóc wskazać, gdzie leży rozwiązanie napięcia w Hubble’u. „Wiele ostatnich teorii zaczęło wskazywać na egzotyczną, nową fizykę w bardzo 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 wszechstronny wgląd w znaczną część historii kosmosu. Najwcześniejsze, najbardziej odległe supernowe w zbiorze danych pochodzą z odległości 10,7 miliarda lat świetlnych, czyli z czasów, gdy Wszechświat był mniej więcej jedną czwartą swojego obecnego wieku. W tej wcześniejszej epoce ciemna materia i związana z nią grawitacja utrzymywały tempo ekspansji wszechświata w ryzach. Taki stan rzeczy zmienił się dramatycznie w ciągu następnych kilku miliardów lat, gdy wpływ ciemnej energii przeważył nad wpływem ciemnej materii. Od tego czasu ciemna energia rozrzuca zawartość kosmosu coraz dalej od siebie i w coraz większym tempie.
„Dzięki temu połączonemu zbiorowi danych Pantheon+ otrzymujemy dokładny obraz wszechświata od czasu, gdy był on zdominowany przez ciemną materię do momentu, gdy wszechświat stał się zdominowany przez ciemną energię” – mówi Brout. „Ten zbiór danych to wyjątkowa okazja, aby zobaczyć jak ciemna energia włącza się i napędza ewolucję kosmosu w największych skalach aż do czasów obecnych”.
Studiowanie tego przejścia teraz z jeszcze silniejszymi dowodami statystycznymi, miejmy nadzieję, doprowadzi do nowych spostrzeżeń na temat enigmatycznej natury ciemnej energii.
„Pantheon+ daje nam najlepszą jak dotąd szansę na ograniczenie ciemnej energii, jej pochodzenia i ewolucji,” mówi Brout.
Źródło: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics