Ledakan supernova mengungkapkan detail kecil tentang energi gelap dan materi gelap

Kesan artistik dari dua bintang katai putih yang bergabung dan menciptakan supernova Tipe Ia. Kredit: ESO/L. Calsada

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

Ahli astrofisika telah melakukan analisis baru yang kuat yang menempatkan batas paling tepat yang pernah ada pada pembentukan dan evolusi alam semesta. Dengan analisis ini, yang dijuluki Pantheon+, para kosmolog menemukan diri mereka di persimpangan jalan.

Pantheon+ dengan meyakinkan berpendapat bahwa alam semesta terdiri dari 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 memperkuat kontroversi besar atas laju ekspansi yang belum terselesaikan ini.

Dengan menempatkan teori kosmologi modern yang dominan, yang dikenal sebagai Model Standar kosmologi, di atas dasar bukti dan statistik yang lebih kuat, Pantheon+ juga menutup pintu bagi kerangka kerja alternatif yang menjelaskan energi gelap Dan materi gelap. Keduanya merupakan landasan Model Standar kosmologi tetapi belum ditemukan secara langsung. Mereka adalah salah satu teka-teki model terbesar. Menindaklanjuti hasil Pantheon+, para peneliti kini dapat melakukan tes pengamatan yang lebih akurat dan menyempurnakan penjelasan untuk alam semesta semu.

G299 ditinggalkan oleh kelas supernova tertentu yang disebut Tipe Ia. Kredit: NASA/CXC/U.Texas

“Dengan hasil Pantheon+ ini, kami dapat menempatkan batasan paling tepat pada dinamika dan sejarah alam semesta hingga saat ini,” kata Dillon Prout, Rekan Einstein di Pusat Astrofisika. Harvard dan Smithsonian. “Kami telah menyisir data dan sekarang dapat mengatakan dengan lebih percaya diri daripada sebelumnya bagaimana alam semesta telah berevolusi selama berabad-abad dan bahwa teori energi gelap dan materi gelap terbaik saat ini sangat kuat.”

Pruitt adalah penulis utama dari serangkaian makalah yang menjelaskan tentang yang baru Panteon + Analisisditerbitkan bersama pada 19 Oktober dalam edisi khusus Jurnal Astrofisika.

Pantheon+ didasarkan pada kumpulan data terbesar dari jenisnya, yang menampilkan lebih dari 1.500 ledakan bintang yang disebut 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 tentang percepatan pertumbuhan alam semesta pada tahun 1998 adalah berkat studi supernova Tipe Ia dengan cara ini. Para ilmuwan menghubungkan ekspansi ini dengan energi yang tidak terlihat, dan oleh karena itu disebut energi gelap, yang melekat pada struktur alam semesta itu sendiri. Dekade berikutnya pekerjaan terus mengumpulkan set data yang lebih besar, mengungkapkan supernova di berbagai ruang dan waktu yang lebih luas, dan Pantheon+ kini telah menyatukan mereka dalam analisis statistik yang paling kuat.

Kata Adam Rees, salah satu pemenang Hadiah Nobel Fisika 2011 karena menemukan percepatan perluasan alam semesta dan Profesor Terhormat Bloomberg Universitas Johns Hopkins (JHU) dan Institut Sains Teleskop Luar Angkasa di Baltimore, Maryland. Reese juga lulusan Harvard, dan memiliki gelar Ph.D. dalam astrofisika.

Karir Pruitt di bidang kosmologi berawal dari tahun-tahun sarjananya di Universitas Johns Hopkins, di mana ia dibimbing dan diberi nasihat oleh Reese. Di sana Pruitt bekerja dengan Dan Skolnick, saat itu seorang mahasiswa doktoral dan penasihat Reiss, yang sekarang menjadi asisten profesor fisika di Universitas Duke dan rekan penulis lain pada seri makalah baru.

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

Sekarang, Brout, Scolnic dan tim baru mereka telah menambahkan Pantheon+ sekitar 50 persen lebih banyak titik data supernova ke Pantheon+, bersama dengan peningkatan dalam teknik analisis dan penanganan sumber kesalahan potensial, yang pada akhirnya menghasilkan akurasi yang buruk 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 sangat baik yang bekerja keras untuk meningkatkan setiap aspek analisis,” kata Pruitt.

Melihat data secara keseluruhan, analisis baru melihat 66,2% alam semesta muncul sebagai energi gelap, dengan 33,8% sisanya merupakan campuran materi dan materi gelap. Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih komprehensif tentang komponen penyusun alam semesta pada era yang berbeda, Brout dan rekan menggabungkan Pantheon+ dengan skala lain yang terbukti kuat, independen, komplementer ke struktur skala besar alam semesta dan dengan pengukuran dari cahaya terdekat alam semesta, Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik.

Hasil utama lain dari Pantheon+ berkaitan dengan salah satu tujuan utama kosmologi modern: menentukan laju ekspansi alam semesta saat ini, yang dikenal sebagai konstanta Hubble. Merakit sampel Pantheon+ dengan data dari SH0ES (Supernova H0 untuk Persamaan Keadaan), yang dipimpin oleh Reese, menghasilkan pengukuran lokal paling ketat dari laju ekspansi alam semesta saat ini.

Allanthion+ dan SH0ES bersama-sama 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 di alam semesta terdekat, ruang itu sendiri berkembang lebih dari 160.000 mil per jam.

Namun, pengamatan dari era yang sama sekali berbeda dalam sejarah alam semesta memprediksi cerita yang berbeda. Pengukuran cahaya tertua alam semesta, latar belakang gelombang mikro kosmik, ketika dikombinasikan dengan Model Standar kosmologi saat ini, secara konsisten menguatkan konstanta Hubble pada tingkat yang jauh lebih rendah daripada pengamatan yang dilakukan melalui supernova Tipe Ia dan penanda astrofisika lainnya. Perbedaan besar antara kedua metodologi ini disebut ketegangan Hubble.

Kumpulan data Pantheon+ dan SH0ES yang baru memperkuat ketegangan Hubble. Faktanya, ketegangan sekarang telah melewati ambang 5-sigma yang penting (probabilitas satu terjadi dalam satu juta karena kebetulan acak) yang digunakan fisikawan untuk membedakan antara kemungkinan peluang statistik dan sesuatu yang harus dipahami. Mencapai tingkat statistik baru ini menyoroti tantangan yang dihadapi oleh para ahli teori dan astrofisika dalam mencoba menjelaskan inkonsistensi konstanta Hubble.

“Kami pikir akan mungkin untuk menemukan bukti untuk solusi baru untuk masalah ini dalam kumpulan data kami, tetapi kami menemukan bahwa data kami mengecualikan banyak opsi ini dan bahwa perbedaan yang mendalam tetap sama sulitnya seperti sebelumnya,” kata Brout.

Hasil Pantheon+ dapat membantu menunjukkan di mana ketegangan Hubble teratasi. “Banyak teori modern mulai menunjukkan fisika baru yang aneh di alam semesta awal, namun, teori yang belum diverifikasi seperti itu harus bertahan dalam proses ilmiah, dan ketegangan Hubble tetap menjadi tantangan besar,” kata Pruitt.

Secara keseluruhan, Pantheon+ menawarkan kepada para ilmuwan tinjauan komprehensif kembali melalui banyak sejarah kosmik. Supernova tertua dan terjauh dalam kumpulan data bersinar dari jarak 10,7 miliar tahun cahaya, karena alam semesta kira-kira seperempat dari usianya saat ini. Di era sebelumnya, materi gelap dan gravitasi terkait mengendalikan laju ekspansi alam semesta. Situasi seperti itu berubah secara dramatis selama beberapa miliar tahun berikutnya karena pengaruh energi gelap menutupi efek materi gelap. Sejak itu, energi gelap telah mendorong isi alam semesta terpisah dan pada tingkat yang terus meningkat.

“Dengan kumpulan data Pantheon+ gabungan ini, kami mendapatkan pandangan akurat tentang alam semesta dari saat materi gelap didominasi oleh energi gelap,” kata Pruitt. “Kumpulan data ini adalah kesempatan unik untuk melihat energi gelap bekerja dan mendorong evolusi alam semesta pada tingkat tertinggi saat ini.”

Kami berharap mempelajari perubahan ini sekarang dengan bukti statistik yang lebih kuat akan mengarah pada wawasan baru tentang sifat energi gelap yang misterius.

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

Referensi: “Pantheon + Analisis: Kendala Kosmik” oleh Dillon Pruitt, Dan Skolnick, Brody Popovich, Adam J. Reese, Anthony Carr, Joe Zontz, Rick Kessler, Tamara M. Davies, Samuel Hinton, David Jones, W. Darcy Kenworthy, Eric R. Peterson, Khaled Saeed, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Scharvaux, Ariana Dumoh, Cole Mulldorf, Antonella Palmes, Helen Coe, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, May Day, Georgios Demetriadis, Alexei F. Filipenko, Ryan J. Foley, Saurabh Jha, Lisa Kelsey, Robert B Kirchner, Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor , Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl dan Phil Wiseman, 19 Oktober 2022, Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04