Explosões de supernovas revelam detalhes minuciosos sobre energia escura e matéria escura

Uma impressão artística de duas estrelas anãs brancas se fundindo e criando uma supernova Tipo Ia. Crédito: ESO/L. Calsada

A análise de explosões de supernovas que duraram mais de duas décadas reforça de forma convincente as teorias cosmológicas modernas e revitaliza os esforços para responder a questões fundamentais.

Os astrofísicos conduziram uma nova e poderosa análise que coloca os limites mais precisos já vistos na formação e evolução do universo. Com esta análise, apelidada de Pantheon+, os cosmólogos encontram-se numa encruzilhada.

O Pantheon+ argumenta de forma convincente que o universo é composto por cerca de dois terços de energia escura e um terço de matéria – principalmente na forma de matéria escura – e vem se expandindo em ritmo acelerado nos últimos bilhões de anos. No entanto, o Pantheon+ também solidifica uma grande controvérsia sobre o ritmo dessa expansão não resolvida.

Ao colocar as teorias cosmológicas modernas dominantes, conhecidas como Modelo Padrão de cosmologia, em bases evidenciais e estatísticas mais firmes, o Pantheon+ também fecha a porta para estruturas alternativas que explicam energia escura E a matéria escura. Ambos são pedras angulares do Modelo Padrão de cosmologia, mas ainda não foram descobertos diretamente. Eles estão entre os maiores quebra-cabeças do modelo. Seguindo os resultados do Pantheon+, os pesquisadores agora podem realizar testes observacionais mais precisos e refinar explicações para o universo aparente.

G299 foi deixado para trás por uma classe particular de supernovas chamada Tipo Ia. Crédito: NASA/CXC/U.Texas

“Com esses resultados do Pantheon+, podemos colocar as restrições mais precisas sobre a dinâmica e a história do universo até o momento”, diz Dillon Prout, bolsista de Einstein no Centro de Astrofísica. Harvard e Smithsonian. “Nós vasculhamos os dados e agora podemos dizer com mais confiança do que nunca como o universo evoluiu ao longo dos tempos e que as melhores teorias atuais de energia escura e matéria escura são poderosas”.

Pruitt é o principal autor de uma série de artigos que descrevem o novo Panteão + Análisefoi publicado conjuntamente em 19 de outubro em uma edição especial da Jornal Astrofísico.

O Pantheon+ é baseado no maior conjunto de dados do gênero, com mais de 1.500 explosões estelares chamadas supernovas do Tipo Ia. Essas explosões brilhantes ocorrem quando[{” 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.

A descoberta revolucionária do crescimento acelerado do universo em 1998 foi graças ao estudo das supernovas do Tipo Ia dessa maneira. Os cientistas atribuem essa expansão à energia invisível e, portanto, é chamada de energia escura, que é inerente ao próprio tecido do universo. Décadas subsequentes de trabalho continuaram a reunir conjuntos de dados cada vez maiores, revelando supernovas em uma faixa mais ampla de espaço e tempo, e o Pantheon + agora os reuniu na análise estatística mais poderosa até agora.

Diz Adam Rees, um dos vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2011 por descobrir a expansão acelerada do universo e Professor Ilustre Bloomberg de Universidade Johns Hopkins (JHU) e Instituto de Ciências do Telescópio Espacial em Baltimore, Maryland. Reese também é graduado em Harvard e tem um Ph.D. em astrofísica.

A carreira de Pruitt em cosmologia remonta aos seus anos de graduação na Universidade Johns Hopkins, onde foi orientado e aconselhado por Reese. Lá, Pruitt trabalhou com Dan Skolnick, então estudante de doutorado e orientador de Reiss, que agora é professor assistente de física na Duke University e outro coautor da nova série de artigos.

Vários anos atrás, Skolnik desenvolveu a análise original do panteão de cerca de 1.000 supernovas.

Agora, Brout, Scolnic e sua nova equipe adicionaram o Pantheon + cerca de 50% mais pontos de dados de supernova ao Pantheon +, juntamente com melhorias nas técnicas de análise e tratamento de possíveis fontes de erro, o que resultou em baixa precisão do Pantheon original.

“Esse salto na qualidade do conjunto de dados e nossa compreensão da física que o sustenta não teria sido possível sem uma excelente equipe de estudantes e colaboradores trabalhando duro para melhorar todos os aspectos da análise”, diz Pruitt.

Olhando para os dados como um todo, a nova análise vê 66,2% do universo aparecendo como energia escura, com os 33,8% restantes sendo uma mistura de matéria e matéria escura. Para obter uma compreensão mais abrangente dos componentes constituintes do universo em diferentes eras, Brout e colegas combinaram o Pantheon+ com outras escalas complementares, independentes e fortemente comprovadas à estrutura em grande escala do universo e com medições da luz mais próxima do universo, a Fundo Cósmico De Microondas.

Outro grande resultado do Pantheon+ está relacionado a um dos principais objetivos da cosmologia moderna: determinar a taxa atual de expansão do universo, conhecida como constante de Hubble. A montagem da amostra Pantheon+ com dados de SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), liderada por Reese, resulta na medição local mais rigorosa da taxa de expansão atual do universo.

Allanthion+ e SH0ES juntos encontram a constante de Hubble de 73,4 quilômetros por segundo por megaparsec com apenas 1,3% de incerteza. Dito de outra forma, para cada megaparsec, ou 3,26 milhões de anos-luz, a análise estima que no universo próximo, o próprio espaço está se expandindo a mais de 160.000 milhas por hora.

No entanto, observações de uma era completamente diferente na história do universo prevêem uma história diferente. As medições da luz mais antiga do universo, o fundo cósmico de micro-ondas, quando combinadas com o atual Modelo Padrão de cosmologia, corroboram consistentemente a constante de Hubble a uma taxa muito menor do que as observações feitas por supernovas do Tipo Ia e outros marcadores astrofísicos. Essa grande discrepância entre as duas metodologias é chamada de tensão de Hubble.

Os novos conjuntos de dados Pantheon+ e SH0ES amplificam a tensão do Hubble. Na verdade, a tensão agora ultrapassou o importante limiar de 5 sigma (a probabilidade de um ocorrer em um milhão devido ao acaso) que os físicos usam para distinguir entre possível chance estatística e algo para entender de acordo. Alcançar esse novo nível estatístico destaca o desafio que tanto teóricos quanto astrofísicos enfrentam ao tentar explicar a inconsistência da constante de Hubble.

“Pensamos que seria possível encontrar evidências de uma nova solução para esses problemas em nosso conjunto de dados, mas descobrimos que nossos dados excluem muitas dessas opções e que discrepâncias profundas permanecem tão intratáveis ​​como sempre”, diz Brout.

Os resultados do Pantheon+ podem ajudar a indicar onde a tensão do Hubble se resolve. “Muitas teorias modernas estão começando a apontar para uma nova física estranha no universo primitivo, no entanto, essas teorias não verificadas precisam resistir ao processo científico, e a tensão do Hubble continua sendo um grande desafio”, diz Pruitt.

No geral, o Pantheon+ oferece aos cientistas uma visão abrangente de grande parte da história cósmica. A supernova mais antiga e distante no conjunto de dados brilha a 10,7 bilhões de anos-luz de distância, já que o universo tinha aproximadamente um quarto de sua idade atual. Naquela época anterior, a matéria escura e sua gravidade associada estavam no controle da taxa de expansão do universo. Tal situação mudou drasticamente ao longo dos bilhões de anos seguintes, à medida que a influência da energia escura ofuscou o efeito da matéria escura. Desde então, a energia escura afastou o conteúdo do universo e a uma taxa cada vez maior.

“Com este conjunto de dados Pantheon+ combinado, obtemos uma visão precisa do universo de uma época em que a matéria escura era dominada pela energia escura”, diz Pruitt. “Este conjunto de dados é uma oportunidade única de ver a energia escura em ação e impulsionar a evolução do universo nos níveis mais altos durante o tempo presente”.

Esperamos que estudar essa mudança agora com evidências estatísticas mais fortes leve a novos insights sobre a natureza da misteriosa energia escura.

“O Pantheon+ nos dá nossa melhor oportunidade de restringir a energia escura, suas origens e sua evolução”, diz Pruitt.

Referência: “Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” de Dillon Pruitt, Dan Skolnick, Brody Popovich, Adam J. Reese, Anthony Carr, Joe Zontz, Rick Kessler, Tamara M. Davies, Samuel Hinton, David Jones, W. Darcy Kenworthy, Eric R. Peterson, Khaled Saeed, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Scharvaux, Ariana Dumoh, Cole Mulldorf, Antonella Palmes, Helen Coe, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, May Day, Georgios Demetriadis, Alexei F. Filipenko, Ryan J. Foley, Saurabh Jha, Lisa Kelsey, Robert B Kirchner, Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor , Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl e Phil Wiseman, 19 de outubro de 2022, Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04