Sanatçının iki beyaz cüce yıldızın birleşip bir Tip Ia süpernova yarattığı izlenimi. Kredi: ESO/L. Calçada
Yirmi yıldan uzun süredir devam eden süpernova patlamalarının analizi, modern kozmolojik teorileri ikna edici bir şekilde güçlendiriyor ve temel soruları cevaplama çabalarını canlandırıyor.
Astrofizikçiler tarafından, evrenin bileşimi ve evrimine şimdiye kadarki en kesin sınırları koyan güçlü ve yeni bir analiz yapıldı. Pantheon+ olarak adlandırılan bu analizle kozmologlar kendilerini bir yol ayrımında bulurlar.
Pantheon+, kozmosun yaklaşık üçte ikisinin karanlık enerjiden ve üçte birinin – ağırlıklı olarak karanlık madde biçimindeki – maddeden oluştuğunu ve son birkaç milyar yılda artan bir hızla genişlediğini ikna edici bir şekilde buluyor. Bununla birlikte, Pantheon+, henüz çözülmemiş olan bu genişlemenin hızı konusunda büyük bir anlaşmazlığı da pekiştiriyor.
Pantheon+, Kozmolojinin Standart Modeli olarak bilinen hakim modern kozmolojik teorileri daha da sağlam kanıtlayıcı ve istatistiksel temellere oturtarak, karanlık enerji ve karanlık maddeyi açıklayan alternatif çerçevelerin kapısını daha da kapatıyor. Her ikisi de Standart Kozmoloji Modelinin temel taşlarıdır, ancak henüz doğrudan tespit edilmemiştir. Modelin en büyük gizemleri arasında yer alıyorlar. Pantheon+’ın sonuçlarını takip eden araştırmacılar artık daha kesin gözlemsel testler yapabilir ve görünürdeki kozmos için daha net açıklamalar yapabilirler.
G299, Tip Ia adı verilen belirli bir süpernova sınıfı tarafından geride bırakıldı. Kredi: NASA/CXC/U.Texas
Astrofizik Merkezi’nde Einstein Üyesi olan Dillon Brout, “Bu Pantheon+ sonuçlarıyla, evrenin dinamikleri ve tarihi üzerine bugüne kadarki en kesin kısıtlamaları koyabiliyoruz” diyor. Harvard ve Smithsonian. “Verileri taradık ve şimdi, evrenin çağlar boyunca nasıl evrimleştiğini ve karanlık enerji ve karanlık madde için mevcut en iyi teorilerin güçlü olduğunu her zamankinden daha fazla güvenle söyleyebiliriz.”
Brout, yeni durumu açıklayan bir dizi makalenin baş yazarıdır. Pantheon+ analizi19 Ekim’de özel bir sayısında ortaklaşa yayınlanan , Astrofizik Dergisi.
Pantheon+, Tip Ia süpernova adı verilen 1.500’den fazla yıldız patlamasını içeren, türünün en büyük veri kümesine dayanmaktadır. Bu parlak patlamalar şu durumlarda meydana gelir:[{” 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.
1998’de evrenin hızlanan büyümesinin çığır açan keşfi, bu şekilde bir Tip Ia süpernova çalışması sayesinde oldu. Bilim adamları, genişlemeyi, evrenin kendi dokusuna özgü görünmez bir enerjiye, dolayısıyla karanlık enerjiye bağlarlar. Müteakip onlarca yıllık çalışma, daha da geniş bir uzay ve zaman aralığında süpernovaları ortaya çıkaran daha büyük veri kümelerini derlemeye devam etti ve Pantheon+ şimdi bunları bugüne kadarki istatistiksel olarak en sağlam analizde bir araya getirdi.
2011 Nobel Ödülü’nün kazananlarından Adam Riess, “Pek çok yönden, bu son Pantheon+ analizi, dünya çapındaki gözlemciler ve teorisyenlerin kozmosun özünü deşifre etmek için yirmi yıldan fazla süren gayretli çabalarının bir sonucudur” diyor. Evrenin hızlanan genişlemesinin keşfi için fizik ve Johns Hopkins Üniversitesi’nde (JHU) Bloomberg Seçkin Profesörü ve Baltimore, Maryland’deki Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü. Riess aynı zamanda Harvard Üniversitesi mezunudur ve astrofizik alanında doktora derecesine sahiptir.
“Bu birleşik Pantheon+ veri seti ile, evrenin karanlık maddenin hakim olduğu zamandan, evrenin karanlık enerjinin hakim olduğu zamana kadar evrenin kesin bir görünümünü elde ediyoruz.” – dillon brout
Brout’un kozmolojideki kendi kariyeri, Riess tarafından öğretildiği ve tavsiyelerde bulunduğu JHU’daki lisans yıllarına kadar uzanır. Orada Brout, o zamanlar doktora öğrencisi olan ve şu anda Duke Üniversitesi’nde fizik alanında yardımcı doçent olan ve yeni makale dizisinde başka bir ortak yazar olan Riess danışmanı Dan Scolnic ile çalıştı.
Birkaç yıl önce, Scolnic yaklaşık 1000 süpernovanın orijinal Pantheon analizini geliştirdi.
Şimdi, Brout ve Scolnic ve onların yeni Pantheon+ ekibi, Pantheon+’a yaklaşık yüzde 50 daha fazla süpernova veri noktası ekledi, analiz tekniklerindeki iyileştirmelerle ve potansiyel hata kaynaklarını ele almayla birleşti ve sonuçta orijinal Pantheon’un iki katı kesinlik sağladı.
Brout, “Hem veri kümesi kalitesinde hem de temelinde yatan fizik anlayışımızda bu sıçrama, analizin her yönünü geliştirmek için özenle çalışan yıldız bir öğrenci ve işbirlikçi ekibi olmadan mümkün olmazdı” diyor.
Verileri bir bütün olarak ele alan yeni analiz, evrenin yüzde 66,2’sinin karanlık enerji olarak tezahür ettiğini ve kalan yüzde 33,8’inin karanlık madde ve maddenin bir birleşimi olduğunu gösteriyor. Farklı çağlarda evrenin kurucu bileşenlerinin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasına ulaşmak için Brout ve meslektaşları, Pantheon+’ı evrenin büyük ölçekli yapısının güçlü şekilde kanıtlanmış, bağımsız ve tamamlayıcı ölçümleriyle ve en erken ışıktan gelen ölçümlerle birleştirdi. evren, kozmik mikrodalga arka plan.
“Bu Pantheon+ sonuçlarıyla, evrenin dinamikleri ve tarihi üzerine bugüne kadarki en kesin kısıtlamaları koyabiliyoruz.” – dillon brout
Bir başka önemli Pantheon+ sonucu, modern kozmolojinin en önemli hedeflerinden biriyle ilgilidir: Hubble sabiti olarak bilinen evrenin mevcut genişleme hızını tespit etmek. Pantheon+ örneğini, Riess liderliğindeki SH0ES (Devlet Denklemi için Supernova H0) işbirliğinden elde edilen verilerle birleştirmek, evrenin mevcut genişleme hızının en katı yerel ölçümüyle sonuçlanır.
Pantheon+ ve SH0ES birlikte, yalnızca %1.3 belirsizlikle megaparsec başına saniyede 73.4 kilometrelik bir Hubble sabiti buluyor. Başka bir deyişle, her megaparsek veya 3.26 milyon ışıkyılı için analiz, yakındaki evrende uzayın kendisinin saatte 160.000 milden fazla genişlediğini tahmin ediyor.
Bununla birlikte, evrenin tarihinin tamamen farklı bir döneminden gelen gözlemler, farklı bir hikaye öngörüyor. Evrenin en eski ışığının, kozmik mikrodalga arka planının ölçümleri, mevcut Standart Kozmoloji Modeli ile birleştirildiğinde, Hubble sabitini, Tip Ia süpernovalar ve diğer astrofiziksel belirteçler aracılığıyla yapılan gözlemlerden önemli ölçüde daha düşük bir oranda tutar. İki metodoloji arasındaki bu büyük farklılık Hubble gerilimi olarak adlandırılmıştır.
Yeni Pantheon+ ve SH0ES veri kümeleri, bu Hubble gerilimini artırıyor. Gerçekte, gerilim, fizikçilerin olası istatistiksel şanssızlıkları ve buna göre anlaşılması gereken bir şeyi ayırt etmek için kullandıkları önemli 5 sigma eşiğini (rastgele şans nedeniyle yaklaşık milyonda bir ortaya çıkma olasılığı) geçti. Bu yeni istatistiksel seviyeye ulaşmak, hem teorisyenlerin hem de astrofizikçilerin Hubble sabit tutarsızlığını denemeye ve açıklamaya yönelik zorluğun altını çiziyor.
Brout, “Veri kümemizde bu sorunlara yeni bir çözüm için ipuçları bulmanın mümkün olacağını düşündük, ancak bunun yerine verilerimizin bu seçeneklerin çoğunu dışladığını ve derin farklılıkların her zamanki gibi inatçı olduğunu görüyoruz” diyor. .
Pantheon+ sonuçları, Hubble geriliminin çözümünün nerede olduğunu göstermeye yardımcı olabilir. Brout, “Birçok yeni teori, çok erken evrende egzotik yeni fiziğe işaret etmeye başladı, ancak bu tür doğrulanmamış teorilerin bilimsel sürece dayanması gerekiyor ve Hubble gerilimi büyük bir zorluk olmaya devam ediyor” diyor.
Genel olarak, Pantheon+ bilim adamlarına kozmik tarihin büyük bir kısmına kapsamlı bir bakış sunuyor. Veri setindeki en eski, en uzak süpernova, 10,7 milyar ışıkyılı uzaklıktan, yani evrenin kabaca şu anki yaşının dörtte biri olduğu zamandan itibaren parlıyor. O erken çağda, karanlık madde ve onunla ilişkili yerçekimi, evrenin genişleme hızını kontrol altında tutuyordu. Karanlık enerjinin etkisi karanlık maddenin etkisini bastırdığı için, böyle bir durum önümüzdeki birkaç milyar yıl içinde çarpıcı bir şekilde değişti. Karanlık enerji o zamandan beri kozmosun içeriğini her zamankinden daha uzağa ve giderek artan bir hızla fırlattı.
Brout, “Bu birleşik Pantheon+ veri kümesiyle, karanlık maddenin hakim olduğu zamandan evrenin karanlık enerjinin hakim olduğu zamana kadar evrenin kesin bir görünümünü elde ediyoruz” diyor. “Bu veri seti, karanlık enerjinin başladığını görmek ve kozmosun evrimini şimdiye kadarki en büyük ölçeklerde ilerletmek için eşsiz bir fırsat.”
Bu değişimi şimdi daha güçlü istatistiksel kanıtlarla incelemek, umarım karanlık enerjinin esrarengiz doğasına dair yeni anlayışlara yol açacaktır.
Brout, “Pantheon+ bize karanlık enerjiyi, kökenlerini ve evrimini sınırlamak için bugüne kadarki en iyi şansı veriyor” diyor.
Referans: “The Pantheon+ Analysis: Cosmological Constraints”, 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 ve Phil Wiseman, 19 Ekim 2022, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04