Penghitungan energi gelap dan materi gelap yang paling tepat hingga saat ini

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 – sebagian besar 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 dominan yang dikenal sebagai Model Standar Kosmologi pada basis bukti dan statistik yang lebih kuat, Pantheon+ menutup pintu bagi kerangka kerja alternatif yang memperhitungkan energi gelap dan materi gelap. Keduanya merupakan landasan Model Standar kosmologi, tetapi belum ditemukan secara langsung dan merupakan salah satu misteri terbesar model tersebut. Berdasarkan hasil Pantheon+, para peneliti sekarang dapat melakukan tes pengamatan yang lebih akurat dan menyempurnakan penjelasan untuk dugaan kosmos.

“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 analisis Pantheon+ baru, yang diterbitkan bersama hari ini 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 bintang katai putih — sisa-sisa bintang seperti Matahari kita — menumpuk terlalu banyak massa dan mengalami reaksi termonuklir yang tak terkendali.

Karena supernova Tipe Ia lebih cemerlang dari seluruh galaksi, ledakan bintang dapat dilihat pada jarak lebih dari 10 miliar. tahun cahaya, atau kembali melalui sekitar tiga perempat dari total usia alam semesta. Karena supernova bersinar dengan kecerahan intrinsik yang hampir seragam, para ilmuwan dapat menggunakan kecerahan ledakan yang tampak, yang berkurang seiring dengan jarak, bersama dengan pengukuran pergeseran merah, sebagai penanda dalam ruang dan waktu.

Informasi ini, pada gilirannya, menunjukkan seberapa cepat alam semesta berkembang pada zaman yang berbeda, yang kemudian digunakan untuk menguji teori tentang komponen dasar alam semesta.

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 Expansion of the Universe yang dipercepat dan Profesor Terhormat Bloomberg di Universitas Johns Hopkins (JHU) dan Institut Sains Teleskop Luar Angkasa di Baltimore, Maryland. Riess juga lulusan Universitas Harvard dan memiliki gelar Ph.D. dalam 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 konstituen 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 dari Alam Semesta. 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 dalam kumpulan data 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.

“Dataset gabungan Pantheon+ ini memberi kita pandangan akurat tentang alam semesta dari saat didominasi oleh materi gelap hingga saat semesta didominasi oleh energi gelap,” kata Brout. “Dataset ini adalah kesempatan unik untuk melihat bagaimana energi gelap menyala dan memicu evolusi kosmos dalam skala terbesar 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 membuat batasan energi gelapasal-usul dan perkembangannya,” kata Brout.