21.10.2022. - Самый точный учет темной энергии и темной материи

Самый точный учет темной энергии и темной материи

Астрофизики провели новый мощный анализ, который накладывает самые точные ограничения на состав и эволюцию Вселенной. С этим анализом, получившим название Пантеон+, космологи оказались на распутье. Пантеон+ убедительно обнаружил, что космос примерно на две трети состоит из темной энергии и на одну треть из материи, в основном в форме темной материи, и расширяется с ускорением в течение последних нескольких миллиардов лет. Тем не менее, Пантеон+ также закрепляет серьезные разногласия по поводу темпов этого расширения, которые еще предстоит решить.

Ставя преобладающие современные космологические теории, известные как Стандартная модель космологии, на еще более прочную доказательную и статистическую основу, Пантеон+ еще больше закрывает дверь для альтернативных схем, учитывающих темную энергию и темную материю. Оба являются основой Стандартной модели космологии, но их еще предстоит обнаружить напрямую, и они входят в число самых больших загадок этой модели. Следуя результатам Pantheon+, исследователи теперь могут проводить более точные наблюдательные тесты и оттачивать объяснения мнимого космоса.

«С этими результатами Pantheon+ мы можем установить самые точные ограничения на динамику и историю Вселенной на сегодняшний день», — говорит Диллон Браут, научный сотрудник Эйнштейна в Центре астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. «Мы прочесали данные и теперь можем с большей уверенностью, чем когда-либо прежде, сказать, как Вселенная развивалась на протяжении тысячелетий и что современные лучшие теории темной энергии и темной материи остаются верными». Браут является ведущим автором серии статей, описывающих новый анализ Pantheon+, совместно опубликованных сегодня в специальном выпуске The Astrophysical Journal.

Pantheon+ основан на крупнейшем в своем роде наборе данных, включающем более 1500 звездных взрывов, называемых сверхновыми типа Ia. Эти яркие взрывы происходят, когда белые карлики — остатки звезд, подобных нашему Солнцу, — накапливают слишком много массы и подвергаются безудержной термоядерной реакции. Поскольку сверхновые типа Ia затмевают целые галактики, взрывы звезд можно увидеть на расстоянии, превышающем 10 миллиардов световых лет, или через три четверти общего возраста Вселенной. Учитывая, что сверхновые сияют с почти одинаковой собственной яркостью, ученые могут использовать видимую яркость взрывов, которая уменьшается с расстоянием, наряду с измерениями красного смещения в качестве маркеров времени и пространства.

Эта информация, в свою очередь, показывает, насколько быстро Вселенная расширяется в разные эпохи, и затем используется для проверки теорий о фундаментальных компонентах Вселенной. Прорывное открытие в 1998 году ускоряющегося роста Вселенной было сделано благодаря такому изучению сверхновых типа Ia. Ученые приписывают расширение невидимой энергии, поэтому ее называют темной энергией, присущей самой ткани Вселенной. Последующие десятилетия работы продолжали собирать все большие наборы данных, обнаруживая сверхновые в еще более широком диапазоне пространства и времени, и теперь Pantheon + объединил их в наиболее статистически надежный анализ на сегодняшний день.

«Во многом этот последний анализ Pantheon+ является кульминацией более чем двух десятилетий усердных усилий наблюдателей и теоретиков всего мира по расшифровке сущности космоса», — говорит Адам Рисс, один из лауреатов Нобелевской премии 2011 года в области науки и техники. Физика за открытие ускоряющегося расширения Вселенной и заслуженный профессор Блумберга в Университете Джона Хопкинса (JHU) и Научном институте космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд. Рисс также является выпускником Гарвардского университета и имеет докторскую степень. в астрофизике.

Собственная карьера Браута в области космологии восходит к его студенческим годам в JHU, где его обучал и консультировал Рисс. Там Браут работал с тогдашним аспирантом и советником Рисса Дэном Сколником, который сейчас является доцентом физики в Университете Дьюка и еще одним соавтором новой серии статей. Несколько лет назад Сколник разработал оригинальный анализ Пантеона примерно 1000 сверхновых. Теперь Браут и Сколник и их новая команда Pantheon+ добавили в Pantheon+ примерно на 50% больше точек данных о сверхновых, а также улучшили методы анализа и устранили потенциальные источники ошибок, что в конечном итоге позволило вдвое повысить точность исходного Pantheon.

«Этот скачок как в качестве набора данных, так и в нашем понимании лежащей в его основе физики был бы невозможен без звездной команды студентов и сотрудников, усердно работающих над улучшением каждого аспекта анализа», — говорит Браут. Взяв данные в целом, новый анализ показывает, что 66,2% Вселенной проявляется как темная энергия, а остальные 33,8% представляют собой комбинацию темной материи и материи. Чтобы прийти к еще более полному пониманию составных компонентов Вселенной в разные эпохи, Браут и его коллеги объединили Пантеон+ с другими убедительными, независимыми и взаимодополняющими измерениями крупномасштабной структуры Вселенной и с измерениями самого раннего света в вселенная, космический микроволновый фон.

Еще один ключевой результат Pantheon+ связан с одной из первостепенных целей современной космологии: определить текущую скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла. Объединение выборки Pantheon+ с данными коллаборации SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) под руководством Рисса приводит к наиболее строгим локальным измерениям текущей скорости расширения Вселенной. Pantheon+ и SH0ES вместе находят постоянную Хаббла 73,4 километра в секунду на мегапарсек с погрешностью всего 1,3%. Другими словами, согласно анализу, на каждый мегапарсек, или 3,26 миллиона световых лет, само пространство в соседней Вселенной расширяется со скоростью более 160 000 миль в час.

Однако наблюдения из совершенно другой эпохи истории Вселенной предсказывают другую историю. Измерения самого раннего света во Вселенной, космического микроволнового фона, в сочетании с текущей Стандартной космологической моделью, постоянно привязывают постоянную Хаббла к скорости, которая значительно меньше, чем наблюдения, сделанные с помощью сверхновых типа Ia и других астрофизических маркеров. Это значительное расхождение между двумя методологиями было названо напряжением Хаббла.

Новые наборы данных Pantheon+ и SH0ES усиливают это напряжение Хаббла. На самом деле, напряженность уже преодолела важный порог в 5 сигм (около одного шанса на миллион возникновения из-за случайности), который физики используют, чтобы отличить возможные статистические случайности от чего-то, что должно быть соответственно понято. Достижение этого нового статистического уровня ставит перед теоретиками и астрофизиками задачу попытаться объяснить несоответствие постоянной Хаббла.

«Мы думали, что в нашем наборе данных можно будет найти ключи к новому решению этих проблем, но вместо этого мы обнаруживаем, что наши данные исключают многие из этих вариантов и что глубокие расхождения остаются такими же упрямыми, как и прежде», — говорит Браут. . Результаты Pantheon+ могут помочь указать, в чем заключается решение проблемы Хаббла. «Многие недавние теории начали указывать на экзотическую новую физику в очень ранней Вселенной, однако такие неподтвержденные теории должны выдерживать научный процесс, и напряженность Хаббла продолжает оставаться серьезной проблемой», — говорит Браут.

В целом, Pantheon+ предлагает ученым всесторонний обзор большей части космической истории. Самые ранние и самые далекие сверхновые в наборе данных сияют на расстоянии 10,7 миллиардов световых лет, то есть когда Вселенная была примерно в четверть своего нынешнего возраста. В ту раннюю эпоху темная материя и связанная с ней гравитация сдерживали скорость расширения Вселенной. Такое положение вещей резко изменилось в течение следующих нескольких миллиардов лет, поскольку влияние темной энергии преобладало над влиянием темной материи. С тех пор темная энергия разбрасывала содержимое космоса все дальше друг от друга и со все возрастающей скоростью.

«С помощью этого комбинированного набора данных Pantheon+ мы получаем точное представление о Вселенной с момента, когда в ней доминировала темная материя, до того момента, когда во Вселенной доминировала темная энергия», — говорит Браут. «Этот набор данных — уникальная возможность увидеть, как включается темная энергия и стимулирует эволюцию космоса в самых грандиозных масштабах в настоящее время». Мы надеемся, что изучение этого перехода сейчас с еще более убедительными статистическими данными приведет к новому пониманию загадочной природы темной энергии. «Пантеон+ дает нам на сегодняшний день лучший шанс ограничить темную энергию, ее происхождение и эволюцию», — говорит Браут.

Источник