Den mest presise regnskapet til nå av mørk energi og mørk materie

Astrofysikere har utført en kraftig ny analyse som setter de mest presise grensene ennå for universets sammensetning og utvikling. Med denne analysen, kalt Pantheon+, befinner kosmologer seg ved et veiskille.

Pantheon+ finner overbevisende at kosmos består av omtrent to tredjedeler mørk energi og en tredjedel materie – for det meste i form av mørk materie – og ekspanderer i et akselererende tempo de siste flere milliarder årene. Imidlertid sementerer Pantheon+ også en stor uenighet om tempoet i utvidelsen som ennå ikke er løst.

Ved å sette rådende moderne kosmologiske teorier, kjent som Standard Model of Cosmology, på enda fastere bevis- og statistisk grunnlag, stenger Pantheon+ ytterligere døren for alternative rammeverk som står for mørk energi og mørk materie. Begge er grunnfjellene i Standard Model of Cosmology, men har ennå ikke blitt oppdaget direkte og er blant modellens største mysterier. Etter å ha fulgt resultatene av Pantheon+, kan forskere nå forfølge mer presise observasjonstester og finpusse forklaringer for det tilsynelatende kosmos.

“Med disse Pantheon+-resultatene er vi i stand til å sette de mest presise begrensningene på dynamikken og historien til universet til dags dato,” sier Dillon Brout, en Einstein-stipendiat ved Center for Astrophysics | Harvard og Smithsonian. “Vi har finkjemmet dataene og kan nå si med mer selvtillit enn noen gang før hvordan universet har utviklet seg over eonene og at de nåværende beste teoriene for mørk energi og mørk materie holder seg sterke.”

Brout er hovedforfatter av en serie artikler som beskriver den nye Pantheon+-analysen, publisert i dag i en spesialutgave av The Astrophysical Journal.

Pantheon+ er basert på det største datasettet i sitt slag, og består av mer enn 1500 stjerneeksplosjoner kalt Type Ia supernovaer. Disse lyse eksplosjonene oppstår når hvite dvergstjerner – rester av stjerner som solen vår – akkumulerer for mye masse og gjennomgår en løpsk termonukleær reaksjon.

Fordi Type Ia supernovaer overstråler hele galakser, kan stjernedetonasjonene skimtes på avstander som overstiger 10 milliarder lysår, eller tilbake gjennom omtrent tre fjerdedeler av universets totale alder. Gitt at supernovaene brenner med nesten ensartede iboende lysstyrker, kan forskere bruke eksplosjonenes tilsynelatende lysstyrke, som avtar med avstanden, sammen med rødforskyvningsmålinger som markører for tid og rom.

Denne informasjonen avslører på sin side hvor raskt universet utvider seg i løpet av forskjellige epoker, som deretter brukes til å teste teorier om de grunnleggende komponentene i universet.

Gjennombruddsoppdagelsen i 1998 av universets akselererende vekst var takket være en studie av Type Ia-supernovaer på denne måten. Forskere tilskriver utvidelsen en usynlig energi, derfor kalt mørk energi, iboende til selve universets struktur. Påfølgende tiår med arbeid har fortsatt med å kompilere stadig større datasett, og avsløre supernovaer over et enda bredere spekter av rom og tid, og Pantheon+ har nå samlet dem til den mest statistisk robuste analysen til dags dato.

“På mange måter er denne siste Pantheon+-analysen en kulminasjon av mer enn to tiår med iherdig innsats fra observatører og teoretikere over hele verden for å tyde essensen av kosmos,” sier Adam Riess, en av vinnerne av Nobelprisen i 2011 i Fysikk for oppdagelsen av den akselererende utvidelsen av universet og Bloomberg Distinguished Professor ved Johns Hopkins University (JHU) og Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Riess er også alun ved Harvard University, og har en Ph.D. i astrofysikk.

Brouts egen karriere innen kosmologi sporer tilbake til studieårene hans ved JHU, hvor han ble undervist og veiledet av Riess. Der jobbet Brout med daværende Ph.D.-student og Riess-rådgiver Dan Scolnic, som nå er assisterende professor i fysikk ved Duke University og en annen medforfatter på den nye serien med artikler.

For flere år siden utviklet Scolnic den originale Pantheon-analysen av omtrent 1000 supernovaer.

Nå har Brout og Scolnic og deres nye Pantheon+-team lagt til rundt 50 prosent flere supernovadatapunkter i Pantheon+, kombinert med forbedringer i analyseteknikker og adressering av potensielle feilkilder, som til slutt har gitt dobbelt så nøyaktighet som det originale Pantheon.

“Dette spranget i både datasettkvaliteten og i vår forståelse av fysikken som ligger til grunn for det, ville ikke vært mulig uten et fantastisk team av studenter og samarbeidspartnere som jobber hardt for å forbedre hver faset av analysen,” sier Brout.

Tar vi dataene som en helhet, viser den nye analysen at 66,2 prosent av universet manifesterer seg som mørk energi, mens de resterende 33,8 prosentene er en kombinasjon av mørk materie og materie.

For å komme til en enda mer omfattende forståelse av universets bestanddeler i forskjellige epoker, kombinerte Brout og medarbeidere Pantheon+ med andre sterkt beviste, uavhengige og komplementære mål på universets storskalastruktur og med målinger fra det tidligste lyset i universet, den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.

Et annet nøkkelresultat fra Pantheon+ relaterer seg til et av de viktigste målene for moderne kosmologi: å spikre ned den nåværende ekspansjonshastigheten til universet, kjent som Hubble-konstanten. Sammenslåing av Pantheon+-prøven med data fra SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State)-samarbeidet, ledet av Riess, resulterer i den strengeste lokale målingen av den nåværende ekspansjonshastigheten til universet.

Pantheon+ og SH0ES finner sammen en Hubble-konstant på 73,4 kilometer per sekund per megaparsek med kun 1,3 % usikkerhet. Sagt på en annen måte, for hver megaparsek, eller 3,26 millioner lysår, anslår analysen at i det nærliggende universet utvider selve rommet seg med mer enn 160 000 miles per time.

Imidlertid forutsier observasjoner fra en helt annen epoke av universets historie en annen historie. Målinger av universets tidligste lys, den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, kombinert med den nåværende standardmodellen for kosmologi, kobler konsekvent Hubble-konstanten med en hastighet som er betydelig mindre enn observasjoner tatt via Type Ia-supernovaer og andre astrofysiske markører. Denne betydelige uoverensstemmelsen mellom de to metodene har blitt kalt Hubble-spenningen.

De nye Pantheon+- og SH0ES-datasettene øker denne Hubble-spenningen. Faktisk har spenningen nå passert den viktige 5-sigma-terskelen (omtrent en-i-en-million sjanser for å oppstå på grunn av tilfeldige tilfeldigheter) som fysikere bruker for å skille mellom mulige statistiske flaks og noe som må forstås deretter. Å nå dette nye statistiske nivået fremhever utfordringen for både teoretikere og astrofysikere å prøve å forklare Hubbles konstante avvik.

“Vi trodde det ville være mulig å finne ledetråder til en ny løsning på disse problemene i datasettet vårt, men i stedet finner vi ut at dataene våre utelukker mange av disse alternativene og at de dype avvikene forblir like sta som alltid,” sier Brout .

Pantheon+-resultatene kan bidra til å peke på hvor løsningen på Hubble-spenningen ligger. “Mange nyere teorier har begynt å peke på eksotisk ny fysikk i det veldig tidlige universet, men slike ubekreftede teorier må tåle den vitenskapelige prosessen og Hubble-spenningen fortsetter å være en stor utfordring,” sier Brout.

Samlet sett tilbyr Pantheon+ forskere et omfattende tilbakeblikk gjennom mye av den kosmiske historien. De tidligste, fjerneste supernovaene i datasettet skinner frem fra 10,7 milliarder lysår unna, noe som betyr fra da universet var omtrent en fjerdedel av sin nåværende alder. I den tidligere epoken holdt mørk materie og dens tilhørende gravitasjon universets ekspansjonshastighet i sjakk.

En slik tilstand endret seg dramatisk i løpet av de neste flere milliarder årene ettersom innflytelsen fra mørk energi overveldet innflytelsen til mørk materie. Mørk energi har siden kastet innholdet i kosmos stadig lenger fra hverandre og i en stadig økende hastighet.

“Med dette kombinerte Pantheon+-datasettet får vi et presist syn på universet fra tiden da det ble dominert av mørk materie til da univers ble dominert av mørk energi,” sier Brout. “Dette datasettet er en unik mulighet til å se mørk energi slå på og drive utviklingen av kosmos på de største skalaene opp gjennom nåtiden.”

Å studere denne overgangen nå med enda sterkere statistiske bevis vil forhåpentligvis føre til ny innsikt i mørk energis gåtefulle natur.

“Pantheon+ gir oss vår beste sjanse til nå for å begrense mørk energidens opprinnelse og dens utvikling,” sier Brout.

---

---