Supernovae-tvillinger åbner op for nye muligheder for præcisionskosmologi

Kosmologer har fundet en måde at fordoble nøjagtigheden af ​​at måle afstande til supernovaeksplosioner - et af deres gennemprøvede værktøjer til at studere den mystiske mørke energi, der får universet til at udvide sig hurtigere og hurtigere. Resultaterne fra Nearby Supernova Factory (SNfactory) samarbejdet, ledet af Greg Aldering fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), vil gøre det muligt for forskere at studere mørk energi med stærkt forbedret præcision og nøjagtighed, og give et kraftfuldt krydstjek af teknikken over store afstande og tid. Resultaterne vil også være centrale for store kommende kosmologiske eksperimenter, der vil bruge nye jord- og rumteleskoper til at teste alternative forklaringer på mørk energi.

To artikler udgivet i Astrofysisk tidsskrift rapportere disse resultater, med Kyle Boone som hovedforfatter. I øjeblikket postdoc ved University of Washington, Boone er tidligere kandidatstuderende af nobelpristageren Saul Perlmutter, Berkeley Lab seniorforsker og UC Berkeley professor, der ledede et af de hold, der oprindeligt opdagede mørk energi. Perlmutter var også medforfatter på begge undersøgelser.

Supernovaer blev brugt i 1998 til at gøre den opsigtsvækkende opdagelse, at udvidelsen af ​​universet accelererer, i stedet for at sætte farten ned som forventet. Denne acceleration – tilskrevet den mørke energi, der udgør to tredjedele af al energien i universet – er siden blevet bekræftet af en række uafhængige teknikker såvel som med mere detaljerede undersøgelser af supernovaer.

Opdagelsen af ​​mørk energi var afhængig af at bruge en bestemt klasse af supernovaer, Type Ia. Disse supernovaer eksploderer altid med næsten den samme iboende maksimale lysstyrke. Fordi supernovaens observerede maksimale lysstyrke bruges til at udlede dens afstand, de små resterende variationer i den iboende maksimale lysstyrke begrænsede den præcision, hvormed mørk energi kunne testes. På trods af 20 års forbedringer fra mange grupper, supernovastudier af mørk energi har indtil nu været begrænset af disse variationer.

Firedobling af antallet af supernovaer

De nye resultater annonceret af SNfactory kommer fra en flerårig undersøgelse, der udelukkende er viet til at øge præcisionen af ​​kosmologiske målinger foretaget med supernovaer. Måling af mørk energi kræver sammenligninger af de maksimale lysstyrker for fjerne supernovaer milliarder af lysår væk med dem for nærliggende supernovaer "kun" 300 millioner lysår væk. Holdet studerede hundredvis af sådanne nærliggende supernovaer i udsøgte detaljer. Hver supernova blev målt et antal gange, med et par dages mellemrum. Hver måling undersøgte supernovaens spektrum, registrerer dens intensitet på tværs af bølgelængdeområdet for synligt lys. Et instrument skræddersyet til denne undersøgelse, SuperNova Integral Field Spectrometer, installeret ved University of Hawaii 2,2 meter teleskop i Maunakea, blev brugt til at måle spektrene.

"Vi har længe haft denne idé, at hvis fysikken i eksplosionen af ​​to supernovaer var den samme, deres maksimale lysstyrker ville være de samme. Ved at bruge de nærliggende Supernova Factory-spektre som en slags CAT-scanning gennem supernovaeksplosionen, vi kunne teste denne idé, sagde Perlmutter.

Ja, For flere år siden, fysiker Hannah Fakhouri, derefter en kandidatstuderende, der arbejder med Perlmutter, lavet en opdagelsesnøgle til dagens resultater. Ser man på et væld af spektre taget af SNfactory, hun fandt ud af, at i en lang række tilfælde, spektrene fra to forskellige supernovaer så næsten identiske ud. Blandt de omkring 50 supernovaer, nogle var næsten enæggede tvillinger. Da et tvillingepars vridende spektre blev overlejret, for øjet var der kun et enkelt spor. Den nuværende analyse bygger på denne observation for at modellere supernovaernes adfærd i perioden nær tidspunktet for deres maksimale lysstyrke.

Det nye arbejde næsten firdobler antallet af supernovaer brugt i analysen. Dette gjorde prøven stor nok til at anvende maskinlæringsteknikker til at identificere disse tvillinger, fører til opdagelsen af, at Type Ia supernovaspektre kun varierer på tre måder. Supernovaernes iboende lysstyrker afhænger også primært af disse tre observerede forskelle, gør det muligt at måle supernovaafstande til en bemærkelsesværdig nøjagtighed på omkring 3 %.

Lige så vigtigt, denne nye metode lider ikke af de skævheder, der har ramt tidligere metoder, set, når man sammenligner supernovaer fundet i forskellige typer galakser. Da nærliggende galakser er noget anderledes end fjerne galakser, der var en alvorlig bekymring for, at en sådan afhængighed ville producere falske aflæsninger i den mørke energimåling. Nu kan denne bekymring reduceres meget ved at måle fjerne supernovaer med denne nye teknik.

Ved beskrivelsen af ​​dette arbejde, Boone bemærkede, "Konventionel måling af supernovaafstande bruger lyskurver - billeder taget i flere farver, når en supernova lysner og falmer. I stedet vi brugte et spektrum af hver supernova. Disse er så meget mere detaljerede, og med maskinlæringsteknikker blev det derefter muligt at skelne den komplekse adfærd, der var nøglen til at måle mere nøjagtige afstande."

Resultaterne fra Boones artikler vil gavne to kommende store eksperimenter. Det første eksperiment vil være på 8,4 meter Rubin Observatory, under opførelse i Chile, med sin arveundersøgelse af rum og tid, et fælles projekt af Institut for Energi og National Science Foundation. Det andet er NASAs kommende Nancy Grace Roman Space Telescope. Disse teleskoper vil måle tusindvis af supernovaer for yderligere at forbedre målingen af ​​mørk energi. De vil være i stand til at sammenligne deres resultater med målinger foretaget ved hjælp af komplementære teknikker.

Aldering, også medforfatter på avisen, observerede, at "ikke kun er denne afstandsmåleteknik mere nøjagtig, det kræver kun et enkelt spektrum, taget, når en supernova er klarest og dermed nemmest at observere - en game changer!" At have en række forskellige teknikker er særligt værdifuldt på dette felt, hvor forudforståelser har vist sig at være forkerte, og behovet for uafhængig verifikation er stort.