Supernova-Explosionen enthüllen winzige Details über dunkle Energie und dunkle Materie

Ein künstlerischer Eindruck von zwei Weißen Zwergsternen, die verschmelzen und eine Supernova vom Typ Ia erzeugen. Bildnachweis: ESO/L. Calsada

Die Analyse von Supernova-Explosionen, die mehr als zwei Jahrzehnte gedauert haben, stützt überzeugend moderne kosmologische Theorien und belebt die Bemühungen, grundlegende Fragen zu beantworten.

Astrophysiker haben eine leistungsstarke neue Analyse durchgeführt, die der Entstehung und Entwicklung des Universums die genauesten Grenzen setzt, die es je gab. Mit dieser Analyse, die den Spitznamen Pantheon+ trägt, befinden sich Kosmologen an einem Scheideweg.

Pantheon+ argumentiert überzeugend, dass das Universum zu etwa zwei Dritteln aus dunkler Energie und zu einem Drittel aus Materie besteht – hauptsächlich in Form von dunkler Materie – und sich in den letzten Milliarden von Jahren immer schneller ausdehnt. Pantheon+ verfestigt jedoch auch eine große Kontroverse über das Tempo dieser ungelösten Expansion.

Indem die vorherrschenden modernen kosmologischen Theorien, bekannt als das Standardmodell der Kosmologie, auf solidere Beweisgrundlagen und statistische Grundlagen gestellt werden, schließt Pantheon+ auch die Tür zu alternativen Rahmenwerken, die dies erklären dunkle Energie Und die Dunkle Materie. Beide sind Eckpfeiler des Standardmodells der Kosmologie, wurden aber noch nicht direkt entdeckt. Sie gehören zu den größten Rätseln des Modells. In Anlehnung an die Ergebnisse von Pantheon+ können Forscher nun genauere Beobachtungstests durchführen und Erklärungen für das scheinbare Universum verfeinern.

G299 wurde von einer bestimmten Klasse von Supernovae namens Typ Ia zurückgelassen. Bildnachweis: NASA/CXC/U.Texas

„Mit diesen Pantheon+-Ergebnissen können wir die Dynamik und Geschichte des Universums bis heute am genauesten einschränken“, sagt Dillon Prout, Einsteins Fellow am Zentrum für Astrophysik. Harvard und Smithsonian. „Wir haben die Daten durchkämmt und können jetzt mit mehr Zuversicht als je zuvor sagen, wie sich das Universum im Laufe der Jahrhunderte entwickelt hat und dass die derzeit besten Theorien über dunkle Energie und dunkle Materie mächtig sind.“

Pruitt ist der Hauptautor einer Reihe von Artikeln, die das Neue beschreiben Pantheon + Analysewurde gemeinsam am 19. Oktober in einer Sonderausgabe von veröffentlicht Astrophysikalische Zeitschrift.

Pantheon+ basiert auf dem größten Datensatz seiner Art mit mehr als 1.500 Starbursts, sogenannten Typ-Ia-Supernovae. Diese hellen Explosionen treten auf, wenn[{“ 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.

Die bahnbrechende Entdeckung des beschleunigten Wachstums des Universums im Jahr 1998 war der Untersuchung von Typ-Ia-Supernovae auf diese Weise zu verdanken. Wissenschaftler führen diese Expansion auf unsichtbare Energie zurück, und deshalb wird sie dunkle Energie genannt, die dem Gewebe des Universums selbst innewohnt. In den folgenden Jahrzehnten der Arbeit wurden immer größere Datensätze zusammengetragen, die Supernovae in einem größeren Raum- und Zeitbereich enthüllten, und Pantheon+ hat sie nun in der bisher leistungsstärksten statistischen Analyse zusammengeführt.

Sagt Adam Rees, einer der Gewinner des Nobelpreises für Physik 2011 für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums und Bloomberg Distinguished Professor of Johns Hopkins Universität (JHU) und Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope in Baltimore, Maryland. Reese ist auch ein Harvard-Absolvent und hat einen Doktortitel in Astrophysik.

Pruitts Karriere in der Kosmologie geht auf seine Studienjahre an der Johns Hopkins University zurück, wo er von Reese unterrichtet und beraten wurde. Dort arbeitete Pruitt mit Dan Skolnick zusammen, damals Doktorand und Reiss-Berater, der jetzt Assistenzprofessor für Physik an der Duke University und ein weiterer Co-Autor der neuen Artikelserie ist.

Vor einigen Jahren entwickelte Skolnik die ursprüngliche Pantheon-Analyse von etwa 1.000 Supernovae.

Jetzt haben Brout, Scolnic und ihr neues Team Pantheon+ um etwa 50 Prozent mehr Supernova-Datenpunkte zum Pantheon+ hinzugefügt, zusammen mit Verbesserungen der Analysetechniken und des Umgangs mit potenziellen Fehlerquellen, was letztendlich zu einer schlechten Genauigkeit des ursprünglichen Pantheon führte.

„Dieser Sprung in der Datensatzqualität und unser zugrunde liegendes physikalisches Verständnis wären ohne ein hervorragendes Team von Studenten und Mitarbeitern, die hart daran arbeiten, jeden Aspekt der Analyse zu verbessern, nicht möglich gewesen“, sagt Pruitt.

Betrachtet man die Daten insgesamt, sieht die neue Analyse, dass 66,2 % des Universums als dunkle Energie erscheinen, während die restlichen 33,8 % eine Mischung aus Materie und dunkler Materie sind. Um ein umfassenderes Verständnis der Bestandteile des Universums in verschiedenen Epochen zu erlangen, kombinierten Brout und Kollegen Pantheon+ mit anderen stark bewährten, unabhängigen, komplementären Skalen zur großräumigen Struktur des Universums und mit Messungen vom nächstgelegenen Licht des Universums, dem Kosmischer Mikrowellenhintergrund.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis von Pantheon+ bezieht sich auf eines der Hauptziele der modernen Kosmologie: die Bestimmung der aktuellen Expansionsrate des Universums, bekannt als Hubble-Konstante. Die Zusammenstellung der Pantheon+-Probe mit Daten von SH0ES (Supernova H0 für die Zustandsgleichung) unter der Leitung von Reese führt zur strengsten lokalen Messung der aktuellen Expansionsrate des Universums.

Allanthion+ und SH0ES finden zusammen die Hubble-Konstante von 73,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec mit nur 1,3 % Unsicherheit. Anders ausgedrückt: Für jede Megaparsec oder 3,26 Millionen Lichtjahre schätzt die Analyse, dass sich der Weltraum im nahen Universum mit mehr als 160.000 Meilen pro Stunde ausdehnt.

Beobachtungen aus einer völlig anderen Ära in der Geschichte des Universums sagen jedoch eine andere Geschichte voraus. Messungen des ältesten Lichts des Universums, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, bestätigen in Kombination mit dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie die Hubble-Konstante durchweg mit einer Rate, die viel niedriger ist als Beobachtungen, die über Typ-Ia-Supernovae und andere astrophysikalische Marker gemacht wurden. Diese große Diskrepanz zwischen den beiden Methoden wird Hubble-Spannung genannt.

Die neuen Datensätze Pantheon+ und SH0ES verstärken diese Hubble-Spannung. Tatsächlich hat die Spannung jetzt die wichtige 5-Sigma-Schwelle überschritten (die Wahrscheinlichkeit, dass eins zu einer Million aufgrund eines zufälligen Zufalls auftritt), die Physiker verwenden, um zwischen einem möglichen statistischen Zufall und etwas zu unterscheiden, das entsprechend zu verstehen ist. Das Erreichen dieses neuen statistischen Niveaus unterstreicht die Herausforderung, vor der sowohl Theoretiker als auch Astrophysiker stehen, wenn sie versuchen, die Widersprüchlichkeit der Hubble-Konstante zu erklären.

„Wir dachten, es wäre möglich, in unserem Datensatz Beweise für eine neue Lösung dieser Probleme zu finden, aber stattdessen stellten wir fest, dass unsere Daten viele dieser Optionen ausschließen und dass tiefe Diskrepanzen so hartnäckig bleiben wie eh und je“, sagt Brout.

Die Pantheon+-Ergebnisse können dabei helfen, anzuzeigen, wo sich die Hubble-Spannung auflöst. „Viele moderne Theorien beginnen auf seltsame neue Physik im frühen Universum hinzuweisen, aber solche unbestätigten Theorien müssen dem wissenschaftlichen Prozess standhalten, und die Hubble-Spannung bleibt eine große Herausforderung“, sagt Pruitt.

Insgesamt bietet Pantheon+ Wissenschaftlern einen umfassenden Rückblick auf einen Großteil der kosmischen Geschichte. Die älteste und am weitesten entfernte Supernova im Datensatz leuchtet aus einer Entfernung von 10,7 Milliarden Lichtjahren, da das Universum etwa ein Viertel seines heutigen Alters hatte. In dieser früheren Ära kontrollierten dunkle Materie und die damit verbundene Gravitation die Expansionsrate des Universums. Eine solche Situation änderte sich in den folgenden Milliarden Jahren dramatisch, als der Einfluss der Dunklen Energie die Wirkung der Dunklen Materie überschattete. Seitdem hat dunkle Energie den Inhalt des Universums auseinandergedrückt und das mit immer größerer Geschwindigkeit.

„Mit diesem kombinierten Pantheon+-Datensatz erhalten wir eine genaue Ansicht des Universums aus einer Zeit, als dunkle Materie von dunkler Energie dominiert wurde“, sagt Pruitt. „Dieser Datensatz ist eine einzigartige Gelegenheit, dunkle Energie bei der Arbeit zu sehen und die Entwicklung des Universums in der gegenwärtigen Zeit auf höchstem Niveau voranzutreiben.“

Wir hoffen, dass die Untersuchung dieser Veränderung jetzt mit stärkeren statistischen Beweisen zu neuen Einsichten in die Natur mysteriöser dunkler Energie führen wird.

„Pantheon+ gibt uns unsere bisher beste Gelegenheit, dunkle Energie, ihre Ursprünge und ihre Entwicklung einzuschränken“, sagt Pruitt.

Referenz: „Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints“ von 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, Erich 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 und Phil Wiseman, 19. Oktober 2022, Astrophysikalische Zeitschrift.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04