Dziesięcioletnie badania ujawniają wyniki zgodne ze standardowymi modelami kosmologicznymi, lecz pozostawiają otwartą możliwość bardziej złożonych interpretacji.
W 1998 roku astronomowie odkryli, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, co jest wynikiem tajemniczej siły zwanej ciemną energią, stanowiącej około 70% Wszechświata. To odkrycie było zaskoczeniem, ponieważ przeczyło dominującej teorii, która zakładała, że ekspansja Wszechświata powinna zwalniać z powodu grawitacji.
Astronomowie dokonali przełomu, obliczając na podstawie obserwacji określonych rodzajów eksplodujących gwiazd, zwanych supernowymi typu Ia, co zaowocowało przyznaniem im Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2011 roku.
25 lat po początkowym odkryciu, Dark Energy Survey (DES) opublikował wyniki analizy wykorzystującej tę samą technikę do dalszego zgłębiania tajemnic ciemnej energii i ekspansji Wszechświata. Podczas prezentacji na 243. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego, które odbyło się 8 stycznia 2024 r., oraz w artykule przesłanym do publikacji w Astrophysical Journal, Masao Sako ze Szkoły Sztuk i Nauk na Uniwersytecie Pensylwanii oraz inni astronomowie z DES przedstawili wyniki, które potwierdzają zgodność z standardowym modelem kosmologicznym Wszechświata zakładającym przyspieszoną ekspansję. Prezenterzy zauważyli jednak, że ich odkrycia nie są na tyle ostateczne, aby wykluczyć potencjalnie bardziej złożony model.
To było ekscytujące móc „odblokować” nasze wyniki i spojrzeć na najnowsze i najlepsze pomiary ilości ciemnej materii i ciemnej energii i zobaczyć, jak ten wysiłek dobiega końca – powiedział Sako. To był dla mnie zdecydowanie emocjonalny moment.
Unikalne podejście do analizy
Aby zrozumieć naturę ciemnej energii i zmierzyć tempo ekspansji Wszechświata, naukowcy z DES przeprowadzają analizy za pomocą czterech różnych technik, w tym techniki supernowej zastosowanej w 1998 roku.
Sako i jego zespół rozpoczęli pracę nad DES w 2010 roku, a ich główny wkład w projekt polegał na opracowaniu strategii przeglądu dla techniki supernowej. Wiązało się to z wyborem obszarów nieba do obserwacji, ustaleniem rytmu obserwacji i przeprowadzeniem symulacji pełnego przeglądu, aby dokładnie określić, czego można oczekiwać od danych obrazowych.
Naukowcy wyjaśniają, że technika ta wymaga danych z supernowych typu Ia, które pojawiają się, gdy niezwykle gęsta martwa gwiazda, znana jako biały karzeł, osiąga masę krytyczną i eksploduje. Ponieważ masa krytyczna jest taka sama dla wszystkich białych karłów, wszystkie supernowe typu Ia osiągają w przybliżeniu ten sam poziom jasności. Dlatego porównując pozorną jasność supernowej Ia widzianej z Ziemi z jej rzeczywistą jasnością, astronomowie mogą określić odległość supernowej od nas.
Istnieje silna korelacja między odległością supernowej a jej przesunięciem ku czerwieni, które jest miarą tego, jak szybko oddala się od nas. Połączenie tych dwóch wartości ujawnia, jak szybko rozszerzał się Wszechświat w momencie wybuchu supernowej. Dzięki temu astrofizycy mogą porównać ten łączny wskaźnik z dzisiejszym tempem ekspansji, aby określić, czy gęstość ciemnej energii pozostała stała, czy zmieniła się w czasie.
Gdy Wszechświat się rozszerza, gęstość materii spada – powiedział Richard Kron, dyrektor DES. Ale jeżeli gęstość ciemnej energii jest stała, oznacza to, że całkowity udział ciemnej energii musi rosnąć wraz ze wzrostem objętości.
Zwieńczenie dekady wysiłków
Współpracownica w DES, Tamara Davis, profesor astrofizyki na University of Queensland w Australii, zauważyła, że standardowy model kosmologiczny, znany jako Λ-CDM, jest wiodącą teorią opisującą działanie Wszechświata. Mówi nam, jak ewoluuje Wszechświat, wykorzystując tylko kilka cech, takich jak gęstość materii i zachowanie ciemnej energii – powiedziała.
Davis wyjaśniła, że metoda supernowych bardzo dobrze ogranicza dwa parametry: gęstość materii oraz w, który wykazuje, czy gęstość ciemnej energii jest stała, czy nie. Zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym, ilość ciemnej energii we Wszechświecie jest stała, co oznacza, że nie rozrzedza się w miarę rozszerzania się Wszechświata. Jeżeli to prawda, parametr reprezentowany przez literę w powinien wynosić -1.
Wyniki wykazały, że w = -0,80 +/- 0,18. W połączeniu z uzupełniającymi danymi z Teleskopu Planck, w jeszcze bardziej zbliżyło się do -1, ale nadal nie osiągnęło -1 w granicach błędu.
w nie leży dokładnie na -1, ale na tyle blisko, że jest zgodne z -1 – powiedziała Davis. Być może potrzebny jest bardziej złożony model – ciemna energia może rzeczywiście zmieniać się w czasie.
Aby dojść do ostatecznych wniosków, astrofizycy będą potrzebować większej ilości danych. Niestety, DES nie będzie w stanie ich dostarczyć, ponieważ przegląd przestał gromadzić dane w styczniu 2019 roku. Mimo to, współpracownicy DES kontynuują analizy, wykorzystując inne techniki. Zespół zajmujący się supernowymi, składający się z wielu doktorantów i doktorów habilitowanych, wkrótce wykorzysta wszystkie dostępne obserwacje z DES.
Połączenie informacji o supernowych uzyskanych za pomocą DES z danymi z innych sond pozwoli jeszcze lepiej poznać nasz model kosmologiczny – powiedziała Davis.
Zespół badający supernowe wkrótce wykorzysta wszystkie dostępne obserwacje z programu DES. Wkrótce inne eksperymenty, takie jak Obserwatorium Very Rubin, rozpoczną pracę tam, gdzie zakończył się program DES – prawdopodobnie przeprowadzając te same rodzaje analiz. Jesteśmy pionierami tych technik, które będą miały bezpośredni wpływ na następną generację badań nad supernowymi – powiedział Kron.
Pionierskie nowe podejście
W analizie supernowych z 2018 roku, która dotyczyła programu DES, wprowadzono wiele ulepszeń w porównaniu z pierwszym wynikiem programu DES opublikowanym w 2018 roku, który obejmował jedynie 207 supernowych i trzyletnie dane. Davis i Sako twierdzą, że zespół naukowców kierowany przez wielu badaczy programu DES ulepszył swoją analizę na każdym etapie. Choć zajęło to wiele lat pracy, współpraca ta pozwoliła zmniejszyć o połowę niepewność systematyczną oraz znacznie obniżyć niepewność statystyczną.
Jednym z kilku ulepszeń było wykorzystanie przez zespół Sako i inne osoby zaangażowane w badania programu DES najbardziej zaawansowanych technik uczenia maszynowego do pomocy w klasyfikacji supernowych. Spośród danych z 300 milionów zaobserwowanych odległych galaktyk, grupa robocza Sako w ramach programu DES zidentyfikowała 1499 supernowych typu Ia, co czyni ją największą i najbardziej szczegółową próbką supernowych z jednego teleskopu, jaką kiedykolwiek zebrano.
Nagrodzeni Noblem w 1998 roku astronomowie wykorzystali zaledwie 52 supernowe do ustalenia, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. To naprawdę ogromny wzrost w porównaniu z sytuacją sprzed 25 lat – powiedziała Davis.
Dane dotyczące supernowych programu DES są również dokładniejsze niż w przypadku poprzednich badań, ponieważ zostały zaobserwowane w czterech kolorach filtrów świetlnych, co stanowi znaczny postęp w porównaniu z próbkami supernowych nagrodzonych Noblem, w których wykorzystywano tylko jeden lub dwa filtry.
Nawet w obliczu nadchodzących bardziej zaawansowanych badań ciemnej energii, naukowcy z DES podkreślili znaczenie posiadania modeli teoretycznych wyjaśniających ciemną energię w uzupełnieniu do ich obserwacji eksperymentalnych. Wszystko to jest naprawdę nieznanym terytorium – powiedział Kron. Nie mamy teorii, która umieszczałaby ciemną energię w ramach odnoszących się do innej fizyki, którą rozumiemy. Na razie w DES pracujemy nad ograniczeniem tego, jak ciemna energia działa w praktyce, mając nadzieję, że później niektóre teorie mogą zostać sklasyfikowane.
Nawet jeżeli zmierzymy ciemną energię z nieskończoną dokładnością, nie oznacza to, że wiemy, czym ona jest – powiedziała Davis. Ciemna energia wciąż czeka na odkrycie.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: University of Pennsylvania
Na ilustracji: Pozostałość po supernowej (typ Ia) Keplera. Źródło: Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA/CXC/SAO/D. Patnauda; (Optyczny) DSS
