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

Una impresión artística de dos estrellas enanas blancas fusionándose y creando una supernova Tipo Ia. Crédito: ESO/L.Calsada

El análisis de las explosiones de supernovas que han durado más de dos décadas refuerza de manera convincente las teorías cosmológicas modernas y revitaliza los esfuerzos para responder preguntas fundamentales.

Los astrofísicos han llevado a cabo un nuevo y poderoso análisis que establece los límites más precisos jamás vistos sobre la formación y evolución del universo. Con este análisis, apodado 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, principalmente en forma de materia oscura, y se ha estado expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos miles de millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también solidifica una gran controversia sobre el ritmo de esta expansión no resuelta.

Al colocar las teorías cosmológicas modernas dominantes, conocidas como el modelo estándar de cosmología, sobre bases evidenciales y estadísticas más firmes, Pantheon+ también cierra la puerta a marcos alternativos que dan cuenta de energía oscura Y el materia oscura. Ambos son piedras angulares del Modelo Estándar de cosmología, pero aún no se han descubierto directamente. Se encuentran entre los mayores rompecabezas del modelo. A raíz de los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y refinar las explicaciones del universo aparente.

G299 fue dejada atrás por una clase particular de supernova llamada Tipo Ia. Crédito: NASA/CXC/U.Texas

“Con estos resultados de Pantheon+, podemos establecer las restricciones más precisas sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha”, dice Dillon Prout, miembro de Einstein en el Centro de Astrofísica. Harvard y Smithsonian. “Hemos revisado 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 poderosas”.

Pruitt es el autor principal de una serie de artículos que describen la nueva Panteón + Análisisfue publicado conjuntamente el 19 de octubre en un número especial de Diario astrofísico.

Pantheon+ se basa en el conjunto de datos más grande de su tipo, con más de 1500 estallidos estelares llamados supernovas de tipo Ia. Estas brillantes explosiones ocurren cuando[{” 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.

El gran descubrimiento del crecimiento acelerado del universo en 1998 fue gracias al estudio de las supernovas de Tipo Ia de esta manera. Los científicos atribuyen esta expansión a la energía invisible y, por lo tanto, se llama energía oscura, que es inherente a la estructura del universo mismo. Las décadas posteriores de trabajo continuaron reuniendo conjuntos de datos cada vez más grandes, revelando supernovas en una gama más amplia de espacio y tiempo, y Pantheon+ ahora los ha reunido en el análisis estadístico más poderoso hasta el momento.

Dice Adam Rees, uno de los ganadores del Premio Nobel de Física 2011 por descubrir la expansión acelerada del universo y Profesor Distinguido de Bloomberg de Universidad Johns Hopkins (JHU) y Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Reese también se graduó en Harvard y tiene un doctorado en astrofísica.

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

Hace varios años, Skolnik desarrolló el análisis de panteón original de unas 1.000 supernovas.

Ahora, Brout, Scolnic y su nuevo equipo han agregado Pantheon+ alrededor de un 50 por ciento más de puntos de datos de supernova al Pantheon+, junto con mejoras en las técnicas de análisis y el manejo de posibles fuentes de error, lo que finalmente resultó en una precisión deficiente del Pantheon original.

“Este salto en la calidad del conjunto de datos y nuestra comprensión de la física que lo sustenta no habría sido posible sin un excelente equipo de estudiantes y colaboradores que trabajaron arduamente para mejorar todos los aspectos del análisis”, dice Pruitt.

Mirando los datos en su conjunto, el nuevo análisis ve que el 66,2% del universo aparece como energía oscura, y el 33,8% restante es una mezcla de materia y materia oscura. Para obtener una comprensión más completa de los componentes constituyentes del universo en diferentes épocas, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras escalas complementarias, independientes y fuertemente probadas para la estructura a gran escala del universo y con mediciones de la luz más cercana del universo, el Fondo de microondas cósmico.

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. El ensamblaje de la muestra Pantheon+ con datos de SH0ES (Supernova H0 para la Ecuación de Estado), dirigido por Reese, da como resultado la medición local más estricta de la tasa de expansión actual del universo.

Allanthion+ y SH0ES juntos encuentran la constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con solo un 1,3 % de incertidumbre. Dicho de otra manera, por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que en el universo cercano, el espacio mismo se expande a más de 160 000 millas por hora.

Sin embargo, las observaciones de una era completamente diferente en la historia del universo predicen una historia diferente. Las mediciones de la luz más antigua del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combinan con el modelo estándar actual de cosmología, corroboran consistentemente la constante de Hubble a un ritmo mucho más bajo que las observaciones realizadas a través de las supernovas de tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta gran discrepancia entre las dos metodologías se denomina tensión de Hubble.

Los nuevos conjuntos de datos Pantheon+ y SH0ES amplifican la tensión del Hubble. De hecho, la tensión ahora ha cruzado el importante umbral de 5 sigma (la probabilidad de que ocurra uno en un millón debido al azar) que los físicos usan para distinguir entre una posible probabilidad estadística y algo que se debe entender en consecuencia. Alcanzar este nuevo nivel estadístico destaca el desafío que enfrentan tanto los teóricos como los astrofísicos al tratar de explicar la inconsistencia de la constante de Hubble.

“Pensamos que sería posible encontrar evidencia de una nueva solución a estos problemas en nuestro conjunto de datos, pero en cambio descubrimos que nuestros datos excluyen muchas de estas opciones y que las discrepancias profundas siguen siendo tan intratables como siempre”, dice Brout.

Los resultados de Pantheon+ pueden ayudar a indicar dónde se resuelve la tensión del Hubble. “Muchas teorías modernas están comenzando a apuntar a una nueva física extraña en el universo primitivo, sin embargo, tales teorías no verificadas tienen que resistir el proceso científico, y la tensión del Hubble sigue siendo un gran desafío”, dice Pruitt.

En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una mirada retrospectiva integral a lo largo de 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 tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. En esa era anterior, la materia oscura y su gravedad asociada controlaban la tasa de expansión del universo. Tal situación cambió dramáticamente durante los siguientes miles de millones de años cuando la influencia de la energía oscura eclipsó el efecto de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha separado los contenidos del universo y a un ritmo cada vez mayor.

“Con este conjunto de datos combinados de Pantheon+, obtenemos una visión precisa del universo de una época en la que la materia oscura estaba dominada por la energía oscura”, dice Pruitt. “Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver la energía oscura en acción e impulsar la evolución del universo a los niveles más altos durante el tiempo presente”.

Esperamos que estudiar este cambio ahora con evidencia estadística más sólida conduzca a nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la misteriosa energía oscura.

“Pantheon+ nos brinda nuestra mejor oportunidad hasta ahora para limitar la energía oscura, sus orígenes y su evolución”, dice Pruitt.

Referencia: “Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” por 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 y Phil Wiseman, 19 de octubre de 2022, Diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04