Las explosiones de supernova revelan los detalles exactos de la energía oscura y la materia oscura

Impresión artística de la fusión de dos estrellas enanas blancas y una supernova de Tipo Ia. Crédito: ESO/L. calzada:

Más de dos décadas de análisis de las explosiones de supernova han avanzado de manera convincente las teorías cosmológicas modernas y han impulsado los esfuerzos para responder preguntas fundamentales.

Los astrofísicos han llevado a cabo un nuevo y poderoso análisis que establece los límites más precisos sobre la composición y evolución del universo. Con este análisis, llamado Pantheon+, los cosmólogos se encuentran en una encrucijada.

Pantheon+ encuentra de manera convincente que el universo está compuesto de aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia, principalmente en forma de materia oscura, y se ha estado expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos miles de millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también consolida un gran desacuerdo sobre el ritmo de esa expansión que aún no se ha resuelto.

Al colocar las teorías cosmológicas modernas dominantes conocidas como el Modelo Estándar de Cosmología sobre una base probatoria y estadística más firme, Pantheon+ cierra aún más la puerta a marcos contables alternativos. energía oscura y: materia oscura. Ambos son fundamentos del Modelo Estándar de Cosmología, pero aún no se han detectado directamente. Se encuentran entre los mayores misterios del modelo. Tras los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y aclarar el universo aparente.

G299 fue dejado atrás por una clase particular de supernova llamada Tipo Ia. Crédito: NASA/CXC/U.Texas

«Con estos resultados de Pantheon+, podemos establecer las restricciones más precisas sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha», dijo Dillon Braut, miembro del Centro Einstein de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. «Hemos analizado los datos y ahora podemos decir con más confianza que nunca cómo ha evolucionado el universo a lo largo de los siglos, y que las mejores teorías actuales sobre la energía oscura y la materia oscura son sólidas».

Brout es el autor principal de una serie de artículos que describen la nueva Análisis de Panteón+en un número especial publicado conjuntamente el 19 de octubre El diario astrofísico.

Pantheon+ se basa en la base de datos más grande de su tipo, que incluye más de 1500 explosiones de estrellas llamadas supernovas de tipo Ia. Estos estallidos brillantes ocurren cuando[{» 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.

En 1998, el descubrimiento innovador del crecimiento acelerado del Universo provino del estudio de las supernovas de Tipo Ia. Los científicos atribuyen la expansión a la energía invisible, por lo tanto, a la energía oscura, inherente a la estructura misma del universo. Décadas de trabajo han continuado acumulando conjuntos de datos más grandes, revelando supernovas en un rango más amplio de espacio y tiempo, y Pantheon+ ahora los ha combinado en el análisis estadísticamente más poderoso hasta la fecha.

«En muchos sentidos, este último análisis de Pantheon+ es la culminación de más de dos décadas de arduos esfuerzos por parte de observadores y teóricos de todo el mundo para descifrar la naturaleza del universo», dijo Adam Riess, uno de los premios Nobel de 2011. Profesor Distinguido de Física y Bloomberg de Detectar la Expansión Acelerada del Universo Universidad Johns Hopkins (JHU) y: Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Rhys también es estudiante de posgrado en astrofísica en la Universidad de Harvard.

La propia carrera de Brout en cosmología se remonta a sus años de estudiante en JHU, donde Rees le enseñó y aconsejó. Allí, Brout trabajó con el entonces estudiante de doctorado y asesor de Rees, Dan Skolnick, ahora profesor asistente de física en la Universidad de Duke y coautor habitual de los nuevos artículos.

Hace unos años, Skolnick desarrolló un análisis original del Panteón de unas 1.000 supernovas.

Ahora, Brout y Scolnic y su nuevo equipo Pantheon+ han agregado un 50 por ciento más de puntos de datos de supernova a Pantheon+, combinados con técnicas de análisis mejoradas y abordando posibles fuentes de error, lo que finalmente produce el doble de precisión que el Pantheon original.

«Este salto tanto en la calidad del conjunto de datos como en nuestra comprensión de la física subyacente no habría sido posible sin un equipo estelar de estudiantes y colegas que trabajaron diligentemente para mejorar todos los aspectos del análisis», dice Braut.

En general, el nuevo análisis muestra que el 66,2 por ciento del universo se manifiesta como energía oscura y el 33,8 por ciento restante es una combinación de materia oscura y materia. Para lograr una comprensión más completa de los constituyentes del Universo en diferentes épocas, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras mediciones independientes y complementarias fuertemente respaldadas de la estructura a gran escala del Universo y mediciones de la luz más temprana. espacio, fondo cósmico de microondas.

Otro resultado importante de Pantheon+ se refiere a uno de los objetivos más importantes de la cosmología moderna. La combinación de la muestra Pantheon+ con datos de la colaboración SH0ES (Supernova H0 para la ecuación de estado) dirigida por Riess da como resultado la medición local más ajustada de la tasa de expansión actual del universo.

Juntos, Pantheon+ y SH0ES encuentran la constante de Hubble en 73,4 kilómetros/segundo con una incertidumbre de solo 1,3 % por megaparsec. En otras palabras, por cada megafase, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que el universo mismo se está expandiendo a una velocidad de más de 160 000 millas por hora en el universo cercano.

Sin embargo, las observaciones de una era completamente diferente de la historia del universo predicen una historia diferente. Las mediciones de la luz más antigua del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combinan con el modelo estándar actual del cosmos, fijan constantemente la constante de Hubble a una velocidad que es significativamente menor que las observaciones realizadas con supernovas de tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta importante discrepancia entre las dos metodologías se denomina tensión de Hubble.

Los nuevos conjuntos de datos de Pantheon+ y SH0ES aumentan estas tensiones del Hubble. De hecho, la tensión ahora ha superado el umbral crítico de 5 sigma (aproximadamente una probabilidad entre un millón de que ocurra debido a una probabilidad aleatoria) que los físicos usan para distinguir entre posibles accidentes estadísticos y algo que debe entenderse en consecuencia. Alcanzar este nuevo nivel estadístico subraya el desafío tanto para los teóricos como para los astrofísicos de tratar de explicar la persistente discrepancia del Hubble.

«Pensamos que nuestra base de datos podría contener pistas sobre nuevas soluciones a estos problemas, pero en cambio descubrimos que nuestros datos descartan muchas de estas opciones y que las inconsistencias profundas siguen siendo tan persistentes como siempre», dice Braut. : .

Los resultados de Pantheon+ pueden ayudar a mostrar dónde se encuentra la solución de tensión del Hubble. «Muchas teorías recientes han comenzado a apuntar a una nueva física exótica en el universo muy primitivo, pero tales teorías no probadas deben resistir el proceso científico, y la tensión del Hubble sigue siendo un gran desafío», dice Braut.

En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una visión integral de gran parte de la historia cósmica. Las supernovas más antiguas y distantes del conjunto de datos brillan a 10.700 millones de años luz de distancia, lo que significa que el universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. En esa era anterior, la materia oscura y su gravedad asociada controlaban la tasa de expansión del universo. Este estado de cosas cambió drásticamente durante los siguientes miles de millones de años cuando la influencia de la energía oscura superó la influencia de la materia oscura. La energía oscura ha estado separando los contenidos del universo desde entonces, y a un ritmo cada vez mayor.

«Con esta base de datos combinada de Pantheon+, obtenemos una imagen precisa del universo desde que estaba dominado por la materia oscura hasta que estaba dominado por la energía oscura», dice Braut. «Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver la energía oscura que está activa e impulsa la evolución del universo en las escalas más grandes de los tiempos modernos».

Es de esperar que examinar este cambio ahora con evidencia estadística más sólida conduzca a nuevos conocimientos sobre la naturaleza misteriosa de la energía oscura.

«Pantheon+ nos brinda nuestra mejor oportunidad hasta la fecha para limitar la energía oscura, su origen y evolución», dice Braut.

Referencia. «Análisis de Panteón+. limitaciones de espacio” por Dillon Braut, Dan Skolnick, Brody Popovich, Adam G. Riess, Anthony Curry, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, Wm. Por D´Arcy. KenworthyEric R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmez, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sánchez, Christopher W. Stubbs, María Vincenzi, Charlotte M. Madera, Pedro J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexey V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh V. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirchner, Anais Moeller, Jesse Muir, Seshadri Nadatur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sacco, Matthew R. Siebert, Matt Smith, Benjamín E. Stahl y Phil Wiseman, 19 de octubre de 2022. El diario astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04