Upptäckten av mörk energi har pågått i ett decennium: Nya insikter om supernovor ger ledtrådar till universums expansion

An example of a supernova discovered by the Dark Energy Survey within the field covered by one of the individual detectors in the Dark Energy Camera. The supernova exploded in a spiral galaxy with redshift = 0.04528, about 0.6 billion years light years away. This is one of the nearest supernovae in the sample. In the inset, the supernova is a small dot at the upper-right of the bright galaxy center. Credit: DES collaboration
An example of a supernova discovered by the Dark Energy Survey within the field covered by one of the individual detectors in the Dark Energy Camera. The supernova exploded in a spiral galaxy with redshift = 0.04528, about 0.6 billion years light years away. This is one of the nearest supernovae in the sample. In the inset, the supernova is a small dot at the upper-right of the bright galaxy center. Credit: DES collaboration

Forskare vid Swinburne University of Technology har bidragit till en banbrytande studie som komplicerar vår förståelse av universum.

Arbetet är publicerat på preprint-servern arXiv.

Dark Energy Survey (DES), som publicerade sina resultat idag, representerar arbetet av över 400 astrofysiker, astronomer och kosmologer från över 25 institutioner.

DES-forskarna samlade in data under 758 nätter under sex år för att förstå den mörka energins natur och mäta universums expansionshastighet. De fann att densiteten av mörk energi i universum kan ha varierat över tid, enligt en ny komplex teori.

Dr Anais Möller från Swinburne University of Technology’s Centre for Astrophysics and Supercomputing var en del av teamet som arbetade med denna revolutionerande analys, tillsammans med Swinburnes Mitchell Dixon, professor Karl Glazebrook och emeritusprofessor Jeremy Mould.

”Dessa resultat, ett samarbete mellan hundratals forskare runt om i världen, är ett bevis på kraften i samarbete och hårt arbete för att göra stora vetenskapliga framsteg”, säger Dr. Möller.

”Jag är mycket stolt över det arbete som vi har åstadkommit som ett team; det är en otroligt grundlig analys som minskar våra osäkerheter till nya nivåer och visar kraften i Dark Energy Survey. Vi använde inte bara toppmoderna data, utan utvecklade också banbrytande metoder för att få ut maximal information från Supernova Survey. Jag är särskilt stolt över detta, eftersom jag utvecklade metoden för att välja ut de supernovor som användes för undersökningen med hjälp av maskininlärning.”

År 1998 upptäckte astrofysiker att universum expanderar i allt snabbare takt, vilket tillskrivs en mystisk enhet som kallas mörk energi, som utgör cirka 70 % av vårt universum. Vid den tidpunkten var astrofysikerna överens om att universums expansion borde sakta ner på grund av gravitationen.

Denna revolutionerande upptäckt, som astrofysikerna gjorde genom observationer av specifika typer av exploderande stjärnor, så kallade supernovor av typ 1a, belönades med Nobelpriset i fysik 2011.

Nu, 25 år efter den första upptäckten, är Dark Energy Survey kulmen på ett decennium av forskning från forskare världen över, som analyserade mer än 1 500 supernovor med hjälp av de starkaste begränsningarna för universums expansion som någonsin erhållits. Detta är det största antalet supernovor av typ 1a som någonsin använts för att begränsa mörk energi från en enda undersökning som undersöker stora kosmiska tider.

Resultaten är förenliga med den kosmologiska modell som nu är standard, nämligen ett universum med en accelererad expansion. Resultaten är dock inte tillräckligt definitiva för att utesluta en eventuellt mer komplex modell.

”Det finns fortfarande så mycket att upptäcka om mörk energi, men den här analysen kan betraktas som guldstandarden inom supernovakosmologi under ganska lång tid”, säger Dr. Moller. ”Den här analysen innehåller också innovativa metoder som kommer att användas i nästa generations undersökningar, så vi tar ett stort steg framåt när det gäller hur vi bedriver vetenskap. Jag ser fram emot att få reda på mer om mysteriet med mörk energi under det kommande årtiondet.”
Banbrytande för ett nytt tillvägagångssätt

Den nya studien banade väg för ett nytt sätt att använda fotometri – med fyra filter – för att hitta supernovorna, klassificera dem och mäta deras ljuskurvor. Dr. Möller skapade metoden för att välja ut dessa supernovor av typ 1a med hjälp av modern maskininlärning.

”Det är mycket spännande att se denna innovativa teknik utnyttja kraften i stora astronomiska undersökningar”, säger hon. ”Vi kan inte bara få fram fler supernovor av typ 1a än tidigare, utan vi har också testat dessa metoder grundligt eftersom vi vill göra mer precisa mätningar av den grundläggande fysiken i vårt universum.”

Den här tekniken kräver data från supernovor av typ 1a, som uppstår när en extremt tät död stjärna, en så kallad vit dvärg, når en kritisk massa och exploderar. Eftersom den kritiska massan är nästan densamma för alla vita dvärgar, har alla supernovor av typ 1a ungefär samma faktiska ljusstyrka och eventuella återstående variationer kan kalibreras bort. När astrofysiker jämför den skenbara ljusstyrkan hos två supernovor av typ 1a, sett från jorden, kan de alltså bestämma deras relativa avstånd från oss.

Astrofysiker spårar den kosmiska expansionens historia med hjälp av stora urval av supernovor som spänner över ett brett spektrum av avstånd. För varje supernova kombinerar de avståndet med en mätning av dess redshift – hur snabbt den rör sig bort från jorden på grund av universums expansion. De kan använda denna historik för att avgöra om den mörka energins densitet har varit konstant eller förändrats över tiden.

Resultaten visade att w = -0,80 +/- 0,18 enbart med hjälp av supernovor. I kombination med kompletterande data från Europeiska rymdorganisationens Planck-teleskop når w -1 inom felmarginalerna. För att komma fram till en definitiv slutsats behöver forskarna mer data från en ny undersökning.

DES-forskarna använde avancerade maskininlärningstekniker för att hjälpa till med klassificeringen av supernovor. Bland data från cirka två miljoner avlägsna observerade galaxer hittade DES flera tusen supernovor. Forskarna använde slutligen 1 499 supernovor av typ 1a med högkvalitativa data, vilket gör det till det största och djupaste supernovaprov från ett enda teleskop som någonsin sammanställts. År 1998 använde de Nobelprisbelönta astronomerna bara 52 supernovor för att fastställa att universum expanderar i en allt snabbare takt.

Ytterligare information: The Dark Energy Survey: Cosmology Results With ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using The Full 5-year Dataset, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2401.02929

 

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.