Najdokładniejsze jak dotąd wyliczenie ciemnej energii i ciemnej materii

Analizując ponad dwie dekady wybuchów supernowych, astrofizycy lepiej rozumieją skład i ewolucję Wszechświata.

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+ przekonująco stwierdza, że kosmos składa się w około ⅔ z ciemnej energii i w ⅓ z materii – głównie w postaci ciemnej materii – i rozszerza się w przyspieszonym 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 standardowy model kosmologiczny, 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 standardowego modelu kosmologicznego, ale nie zostały jeszcze bezpośrednio wykryte i stanowią jedną z największych tajemnic tego modelu. Podążając za wynikami Pantheon+, naukowcy mogą teraz udoskonalić wyjaśnienia dotyczące pozornego kosmosu.

Dzięki tym wynikom Pantheon+ jesteśmy w stanie nałożyć najbardziej precyzyjne ograniczenia na dynamikę i historię Wszechświata do tej pory – mówi Dillon Brout z Center for Astrophysics | Harvard i Smithsonian. Przeszukaliśmy dane i możemy teraz powiedzieć z większą niż kiedykolwiek pewnością, 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 19 października 2022 roku w specjalnym numerze The Astrophysical Journal.

Pantheon+ bazuje na największym zbiorze danych tego typu, obejmującym ponad 1500 eksplozji gwiazdowych zwanych supernowymi typu Ia. Te jasne wybuchy pojawiają się, gdy białe karły – pozostałości po gwiazdach takich jak nasze Słońce – gromadzą zbyt dużo masy i przechodzą niekontrolowaną reakcję termojądrową. Ponieważ supernowe typu Ia przyćmiewają swoim blaskiem całe galaktyki, ich wybuchy można obserwować w odległościach przekraczających 10 miliardów lat świetlnych, czyli przez około ¾ całkowitego wieku Wszechświata. Biorąc pod uwagę, że supernowe świecą z niemal jednakową jasnością wewnętrzną, naukowcy mogą wykorzystać pozorną jasność eksplozji, która zmniejsza się wraz z odległością, a także pomiary przesunięcia ku czerwieni jako znaczniki czasu i przestrzeni. Ta informacja z kolei ukazuje, jak szybko Wszechświat rozszerza się w różnych epokach, co jest następnie wykorzystywane do testowania teorii podstawowych składników Wszechświata.

Przełomowe odkrycie z 1998 roku przyspieszającej ekspansji Wszechświata nastąpiło dzięki badaniu w ten sposób supernowych typu Ia. Naukowcy przypisują ekspansję niewidzialnej energii, dlatego nazwano ją ciemną energią, nieodłącznie związaną z tkanką samego Wszechświata. W kolejnych dekadach pracy gromadzono coraz większe zbiory danych, ukazując supernowe w jeszcze szerszym zakresie przestrzeni i czasu, a Pantheon+ zebrał je teraz w najbardziej solidną statystycznie analizę do tej pory.

Pod wieloma względami najnowsza analiza Pantheon+ jest kulminacją dwóch dekad wytężonych 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.

Nowa analiza danych stwierdza, że 66,2% Wszechświata manifestuje się jako ciemna energia, a pozostałe 33,8% to kombinacja ciemnej materii i zwykłej materii. Aby uzyskać jeszcze bardziej kompleksowe zrozumienie składników Wszechświata w różnych epokach, Brout i współpracownicy połączyli Pantheon+ z innymi silnie udokumentowanymi, niezależnymi i uzupełniającymi się pomiarami wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz z pomiarami najwcześniejszego światła we Wszechświecie, mikrofalowego promieniowania tła.

Inny kluczowy wynik Pantheon+ odnosi się do jednego z najwcześniejszych 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 kilometra na sekundę na megaparsek z niepewnością zaledwie 1,3%. Mówiąc inaczej, analiza szacuje, że w pobliskim Wszechświecie na każdy megaparsek sama przestrzeń rozszerza się z prędkością 257 000 km/h.

Jednak obserwacje z zupełnie innej epoki w historii Wszechświata przewidują inną historię. Pomiary mikrofalowego promieniowania tła, w połączeniu z obecnym modelem standardowym zwiększają stałą Hubble’a w tempie znacznie mniejszym niż obserwacje dokonane za pomocą supernowych typu Ia i innych markerów astrofizycznych. Ta znaczna rozbieżność między tymi dwoma metodologiami została nazwana napięciem Hubble’a.

Nowe zestawy danych Pantheon+ i SH0ES zwiększają to napięcie Hubble’a. W rzeczywistości, napięcie to przekroczyło obecnie ważny próg 5-sigma (około jedna na milion szans na powstanie w wyniku losowego przypadku), którego fizycy używają do rozróżnienia pomiędzy możliwymi statystycznymi przypadkami a czymś, co należy odpowiednio zrozumieć. Osiągnięcie tego nowego poziomu statystycznego podkreśla wyzwanie dla teoretyków i astrofizyków, którzy próbują wyjaśnić rozbieżności w stałej Hubble’a.

Sądziliśmy, 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, a głębokie rozbieżności pozostają tak samo niewzruszone, jak zawsze – mówi Brout.

Wyniki Pantheon+ mogą pomóc wskazać, gdzie leży rozwiązanie napięcia Hubble’a. 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 kosmosu. Najwcześniejsze, najbardziej odległe supernowe w zbiorze danych pochodzą z odległości 10,7 miliarda lat świetlnych, czyli z czasów, gdy Wszechświat miał mniej więcej ¼ 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 drastycznie 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 do 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 tej zmiany teraz z jeszcze silniejszymi dowodami statystycznymi doprowadzi, miejmy nadzieję, do nowego wglądu w enigmatyczną naturę ciemnej energii.

Pantheon+ daje nam najlepszą jak dotąd możliwość ograniczenia ciemnej energii, jej pochodzenia i ewolucji – mówi Brout.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Harvard

Vega

Na ilustracji: Na zdjęciu G299, pozostałość po supernowej typu Ia, rodzaju kosmicznej eksplozji, która pomogła w opracowaniu dokładnego opisu ciemnej energii i ciemnej materii. Źródło: NASA/CXC/U.Texas.