Las explosiones de supernova revelan pequeños detalles sobre la energía oscura y la materia oscura

Más de dos décadas de análisis en curso de las explosiones de supernova respalda firmemente las teorías cosmológicas modernas y revitaliza los esfuerzos para responder preguntas fundamentales.

Los astrofísicos han realizado un nuevo y poderoso análisis que pone los límites más precisos jamás vistos sobre la formación y evolución del universo. Con este análisis, llamado Pantheon+, los cosmólogos se encuentran en una encrucijada.

Pantheon+ argumenta convincentemente que el universo está compuesto por aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia, gran parte en forma de materia oscura, y se ha estado expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos mil millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también se suma a la enorme controversia sobre el ritmo de esta expansión sin resolver.

Al colocar la teoría dominante de la cosmología moderna, conocida como el modelo estándar de cosmología, sobre una base más sólida de evidencia y estadísticas, Pantheon+ cierra la puerta a marcos alternativos más explicativos. Energía oscura Y materia oscura. Ambos son piedras angulares del Modelo Estándar de cosmología, pero aún no se han descubierto directamente. Son uno de los mejores rompecabezas modelo. Tras los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y refinar las explicaciones del pseudouniverso.

«Con estos resultados de Pantheon+, hemos podido establecer los límites más precisos sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha», dijo Dillon Pruitt, miembro de Einstein en el Centro de Astrofísica. Harvard y Smithsonian. «Hemos recopilado 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 más sólidas».

Pruitt es el autor principal de una serie de artículos que describen la nueva Panteón + AnalíticaCoeditado en un número especial el 19 de octubre Revista de astrofísica.

Pantheon+ se basa en un conjunto de datos masivo de más de 1500 explosiones estelares conocidas como supernovas de tipo Ia. Luego hubo esta explosión brillante[{” 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 se realizó el revolucionario descubrimiento de la rápida expansión del universo gracias al estudio de las supernovas de Tipo Ia por esta vía. Los científicos atribuyen esta expansión a la energía invisible, de ahí el nombre de energía oscura, inherente a la estructura misma del universo. El trabajo de la próxima década continuará recopilando grandes conjuntos de datos que abarcan vastas franjas de espacio y tiempo, y Pantheon+ ahora los reúne en un análisis estadístico más poderoso.

Adam Rees, Premio Nobel de Física 2011 por descubrir la aceleración de la expansión del universo, y el distinguido profesor Bloomberg. Universidad Johns Hopkins (JHU) y Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial En Baltimore, Maryland. Rees se graduó en Harvard y tiene un doctorado. en astrofísica.

La carrera de Pruitt en cosmología se remonta a sus estudios universitarios en la Universidad Johns Hopkins, donde fue asesorado y asesorado por Reese. Allí, Pruitt trabajó con Dan Skolnick, entonces estudiante de doctorado y asesor de Reiss, ahora profesor asistente de física en la Universidad de Duke y otro coautor de la nueva serie de artículos.

Hace varios años, Skolnick realizó un análisis del panteón original de unas 1.000 supernovas.

Ahora, Brout, Scolnic y su nuevo equipo han agregado alrededor del 50 por ciento de los puntos de datos de supernova a Pantheon+, realizando mejoras en las técnicas de análisis y lidiando con posibles fuentes de error que finalmente resultaron en una precisión peor que la del Pantheon original.

«La calidad del conjunto de datos y nuestra comprensión de la física subyacente no habrían sido posibles sin un destacado grupo de estudiantes y colaboradores que trabajaron arduamente para mejorar todos los aspectos del análisis», dijo Pruitt.

Mirando los datos en general, el nuevo análisis encuentra que el 66,2% del universo parece ser energía oscura, y el 33,8% restante es una mezcla de materia oscura y materia. Para obtener una comprensión más detallada de los elementos que componen el universo en diferentes períodos de tiempo, Pruitt y sus colegas combinaron Pantheon+ con otra escala, una medida robusta, independiente, complementaria y cuantificable de la estructura a gran escala del universo. La luz más cercana al universo, el fondo de microondas, es cósmica.

Otro resultado importante de Pantheon+ se relaciona con uno de los principales objetivos de la cosmología moderna: determinar la tasa actual de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. Ensamblar el modelo Pantheon+ con datos de SH0ES (Ecuación de Estado de Supernova H0) dirigida por Reiss dio como resultado la medición local más rigurosa de la tasa de expansión actual del Universo.

Allanthion+ y SH0ES juntos encontraron una constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con una incertidumbre del 1,3 %. En otras palabras, el análisis estima que por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, en el universo cercano, el espacio mismo se expande a más de 160 000 millas por hora.

Sin embargo, las observaciones de períodos completamente diferentes en la historia del universo predicen una historia diferente. La medida de luz más antigua del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combina con el modelo cosmológico actual, sobreestima constantemente la constante de Hubble en un grado mucho menor que las observaciones realizadas con supernovas de tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. La principal diferencia entre estos dos modos se denomina tensión de Hubble.

Los nuevos conjuntos de datos Pantheon+ y SH0ES aumentan las tensiones del Hubble. De hecho, esta tensión ahora excede el límite crítico de 5 sigma (probabilidad de ocurrencia en un millón debido al azar) que los físicos usan para distinguir entre una probabilidad estadística y algo que debe entenderse. Alcanzar este nuevo nivel de estadísticas destaca los desafíos que enfrentan los teóricos y astrofísicos al tratar de explicar la aleatoriedad de la constante de Hubble.

«Pensamos que era posible encontrar evidencia de una nueva solución a este problema en nuestro conjunto de datos, pero nuestros datos excluyen muchas de estas opciones y las disparidades profundas son tan difíciles como siempre», dijo Pruitt.

Los resultados de Pantheon+ ayudarán a mostrar dónde se resuelven las tensiones del Hubble. «Muchas teorías modernas están comenzando a señalar una nueva física extraña en el universo primitivo, sin embargo, tales teorías no verificadas deben persistir en el proceso científico, y la tensión del Hubble es un gran desafío», dijo Pruitt.

En general, Pantheon+ brinda a los científicos una mirada retrospectiva integral a gran parte de la historia cósmica. La supernova más antigua y distante del conjunto de datos brilla a 10.700 millones de años luz de distancia, ya que el universo tiene aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. En épocas anteriores, la materia oscura y la gravedad asociada controlaban la tasa de expansión del universo. Esta situación cambió drásticamente durante los siguientes miles de millones de años, ya que los efectos de la energía oscura eclipsaron los efectos de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha empujado los contenidos del universo a un ritmo cada vez mayor.

«Con este conjunto de datos Pantheon+ integrado, estamos obteniendo una visión precisa del universo desde el momento en que la energía oscura dominaba la materia oscura», dijo Pruitt. «Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver la energía oscura en acción, impulsando la evolución del universo a los niveles más altos en la actualidad».

Creemos que estudiar estos cambios ahora con evidencia estadística sólida conducirá a nuevos conocimientos sobre la naturaleza misteriosa de la energía oscura.

«Pantheon+ ofrece la mejor oportunidad para controlar la energía oscura, su origen y evolución», dijo Pruitt.

Referencias: Dillon Pruitt, Dan Skolnick, Brody Popovich, Adam J. Reese, Anthony Carr, Joe Sontz, Rick Kessler, Tamara M. Davies, Samuel Hinton, David Jones, Wm. Darcy Kenve, w. eric r Peterson, Khaled Saeed, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Schwartz, Ariana Dumo, Cole Muldorf, Antonella Palms, Helen Koh, Benjamin M. Rose, Bruno Sánchez, Christopher W. Stubbs, María Vincenzi, María Vincenzi Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, Primero de Mayo, Georgios Demetriadis, Alexi F. Filipenko, Ryan J. Foley, Saurabh Jha, Lisa Kelsey, Robert B. Kirchner, Anise Muller, Jesse Muir Seshatri Nathor, Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl y Bill Wiseman, 19 de octubre de 2022, Revista de astrofísica.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04