Ledakan supernova mengungkapkan detail yang tepat dari energi gelap dan materi gelap

Analisis ledakan supernova yang berlangsung lebih dari dua dekade secara meyakinkan memperkuat teori kosmologi modern dan merevitalisasi upaya untuk menjawab pertanyaan mendasar.

Ahli astrofisika telah melakukan analisis baru yang kuat yang menempatkan batas paling tepat pada komposisi dan evolusi Alam Semesta. Ahli kosmologi berada di persimpangan jalan dengan analisis ini, yang dikenal sebagai Pantheon+.

Pantheon+ dengan meyakinkan menyatakan bahwa kosmos adalah sekitar dua pertiga energi gelap dan sepertiga materi—kebanyakan dalam bentuk materi gelap—dan telah berkembang dengan kecepatan yang semakin cepat selama miliaran tahun terakhir. Namun, Pantheon+ juga menegaskan ketidaksepakatan besar atas laju ekspansi ini yang belum terselesaikan.

Dengan menempatkan teori kosmologi modern yang dominan, yang dikenal sebagai Model Standar kosmologi, pada basis bukti dan statistik yang lebih solid, Pantheon+ semakin menutup pintu bagi kerangka kerja akuntansi alternatif. energi gelap dan Materi gelap. Keduanya merupakan landasan Model Standar kosmologi, tetapi belum ditemukan secara langsung. Mereka adalah salah satu misteri terbesar model. Berdasarkan hasil Pantheon+, para peneliti sekarang dapat melakukan tes pengamatan yang lebih akurat dan menyempurnakan penjelasan untuk dugaan kosmos.

G299 adalah sisa dari kelas supernova tertentu yang disebut Tipe Ia. Kredit foto: NASA/CXC/U.Texas

“Dengan hasil Pantheon+ ini, kami dapat membatasi dinamika dan sejarah Semesta hingga saat ini setepat mungkin,” kata Dillon Brout, Einstein Fellow di Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. “Kami telah menyisir data dan sekarang kami dapat mengatakan dengan lebih percaya diri daripada sebelumnya bagaimana alam semesta berevolusi selama ribuan tahun dan bahwa teori energi gelap dan materi gelap terbaik saat ini berlaku.”

Brout adalah penulis utama dari serangkaian artikel yang menjelaskan yang baru Pantheon+ analisisditerbitkan bersama pada 19 Oktober dalam edisi khusus Jurnal Astrofisika.

Pantheon+ didasarkan pada kumpulan data terbesar dari jenisnya, yang mencakup lebih dari 1.500 ledakan bintang yang dikenal sebagai supernova Tipe Ia. Ledakan terang ini terjadi ketika[{” 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.

Penemuan terobosan dari percepatan pertumbuhan Semesta pada tahun 1998 adalah karena mempelajari supernova Tipe Ia dengan cara ini. Para ilmuwan mengaitkan ekspansi tersebut dengan energi tak kasat mata, yang disebut energi gelap, yang melekat pada struktur alam semesta itu sendiri. Dalam dekade-dekade berikutnya, kumpulan data yang lebih besar dan lebih besar telah dikompilasi, mengungkapkan supernova pada rentang ruang dan waktu yang lebih besar, dan Pantheon+ kini telah menyatukannya dalam analisis yang paling kuat secara statistik.

“Dalam banyak hal, analisis Pantheon+ terbaru ini adalah puncak dari lebih dari dua dekade upaya rajin oleh para pengamat dan ahli teori di seluruh dunia untuk mengungkap esensi kosmos,” kata Adam Riess, salah satu pemenang Hadiah Nobel Fisika 2011 untuk penemuan Ekspansi Alam Semesta yang dipercepat dan Profesor Terhormat Bloomberg di Universitas Johns Hopkins (JHU) dan Institut Ilmiah untuk Teleskop Luar Angkasa di Baltimore, Maryland. Riess juga lulusan Universitas Harvard dan memiliki gelar PhD di bidang astrofisika.

Karir Brout sendiri dalam kosmologi berawal dari tahun-tahun mahasiswanya di JHU, di mana ia diajar dan dibimbing oleh Riess. Di sana, Brout bekerja dengan mahasiswa pascasarjana dan penasihat Riess Dan Scolnic, yang sekarang menjadi asisten profesor fisika di Duke University dan rekan penulis lain dari seri artikel baru.

Beberapa tahun yang lalu, Scolnic mengembangkan analisis panteon asli dari sekitar 1.000 supernova.

Sekarang, Brout dan Scolnic dan tim Pantheon+ baru mereka telah menambahkan sekitar 50 persen lebih banyak titik data supernova ke Pantheon+, ditambah dengan peningkatan dalam teknik analisis dan mengatasi potensi sumber kesalahan, yang pada akhirnya menghasilkan akurasi dua kali lipat dari Pantheon asli.

“Lompatan dalam kualitas kumpulan data dan pemahaman kita tentang fisika yang mendasarinya tidak akan mungkin terjadi tanpa tim siswa dan kolaborator yang luar biasa yang bekerja dengan rajin untuk meningkatkan setiap aspek analisis,” kata Brout.

Melihat data secara keseluruhan, analisis baru mengatakan 66,2 persen alam semesta bermanifestasi sebagai energi gelap, dengan sisa 33,8 persen menjadi kombinasi materi gelap dan materi. Untuk sampai pada pemahaman yang lebih komprehensif tentang komponen Alam Semesta pada zaman yang berbeda, Brout dan rekan menggabungkan Pantheon+ dengan pengukuran lain yang sangat didukung, independen, dan saling melengkapi dari struktur alam semesta skala besar dan dengan pengukuran dari cahaya paling awal hingga cahaya. Alam semesta, latar belakang gelombang mikro kosmik.

Hasil Pantheon+ penting lainnya berkaitan dengan salah satu tujuan utama kosmologi modern: menentukan laju ekspansi alam semesta saat ini, yang dikenal sebagai konstanta Hubble. Menggabungkan sampel Pantheon+ dengan data dari kolaborasi SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) yang dipimpin oleh von Riess menghasilkan pengukuran lokal paling ketat dari laju ekspansi Alam Semesta saat ini.

Bersama-sama, Pantheon+ dan SH0ES menemukan konstanta Hubble 73,4 kilometer per detik per megaparsec dengan hanya 1,3% ketidakpastian. Dengan kata lain, untuk setiap megaparsec, atau 3,26 juta tahun cahaya, analisis memperkirakan bahwa ruang berkembang lebih dari 160.000 mil per jam, bahkan di alam semesta terdekat.

Namun, pengamatan dari zaman yang sangat berbeda dalam sejarah alam semesta memprediksi cerita yang berbeda. Pengukuran cahaya paling awal di Semesta, latar belakang gelombang mikro kosmik, dikombinasikan dengan model standar kosmologi saat ini, secara konsisten menetapkan konstanta Hubble pada tingkat yang jauh lebih lambat daripada pengamatan yang dilakukan pada supernova Tipe Ia dan penanda astrofisika lainnya . Perbedaan yang signifikan antara kedua metode ini disebut sebagai tegangan Hubble.

Kumpulan data baru Pantheon+ dan SH0ES memperkuat ketegangan Hubble ini. Faktanya, tegangan sekarang telah melewati ambang 5 sigma yang penting (kira-kira satu dalam sejuta kemungkinan itu terjadi secara kebetulan) yang digunakan fisikawan untuk membedakan antara kemungkinan kebetulan statistik dan sesuatu yang perlu dipahami dengan tepat. Mencapai tingkat statistik baru ini menggarisbawahi tantangan bagi para ahli teori dan astrofisika untuk menjelaskan perbedaan dalam konstanta Hubble.

“Kami pikir mungkin untuk menemukan bukti solusi baru untuk masalah ini di dataset kami, tetapi sebaliknya kami menemukan bahwa data kami mengecualikan banyak opsi ini dan bahwa perbedaan mendalam tetap sama seperti sebelumnya,” kata bread .

Hasil Pantheon+ dapat membantu menentukan di mana letak solusi untuk tegangan Hubble. “Banyak teori baru-baru ini menunjukkan fisika baru yang eksotis di alam semesta yang sangat awal, tetapi teori yang belum dikonfirmasi seperti itu harus bertahan dalam proses ilmiah, dan tegangan Hubble tetap menjadi tantangan besar,” kata Brout.

Secara keseluruhan, Pantheon+ memberi para ilmuwan pandangan komprehensif tentang banyak sejarah kosmik. Supernova paling awal dan paling jauh dalam kumpulan data bersinar dari jarak 10,7 miliar tahun cahaya, ketika Alam Semesta berusia sekitar seperempat dari usianya saat ini. Di era awal ini, materi gelap dan gravitasi terkait menjaga laju ekspansi alam semesta tetap terkendali. Keadaan ini berubah secara dramatis selama miliaran tahun berikutnya karena pengaruh energi gelap menguasai materi gelap. Sejak itu, energi gelap telah melemparkan isi kosmos lebih jauh dan lebih jauh dengan kecepatan yang semakin besar.

“Dengan kumpulan data Pantheon+ gabungan ini, kami mendapatkan pandangan akurat tentang alam semesta dari saat didominasi oleh materi gelap hingga saat alam semesta didominasi oleh energi gelap,” kata Brout. “Dataset ini adalah kesempatan unik untuk melihat bagaimana energi gelap menyala dan memicu evolusi kosmos pada skala termegah hingga saat ini.”

Mempelajari pergeseran ini sekarang, dengan bukti statistik yang lebih kuat, diharapkan akan mengarah pada wawasan baru tentang sifat energi gelap yang penuh teka-teki.

“Pantheon+ memberi kita kesempatan terbaik untuk membatasi energi gelap, asal-usulnya, dan evolusinya,” kata Brout.

Referensi: Analisis Pantheon+: Kendala Kosmologis oleh 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, dan Phil Wiseman, 19 Oktober 2022, Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04