انفجار‌های ابر نو اختر جزئیات دقیقی از انرژی تاریک و ماده تاریک را آشکار می‌کنند

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از (سای تک دیلی)، یک تحلیل قدرتمند جدید توسط اخترفیزیکدانان انجام شده است که دقیق‌ترین محدودیت‌های تاریخ را برای ترکیب و تکامل جهان تعیین می‌کند. با این تحلیل که پانتئون+ نام دارد، کیهان شناسان خود را بر سر دوراهی می‌بینند.

Pantheon+ به طور متقاعدکننده‌ای دریافته است که کیهان از حدود دو سوم انرژی تاریک و یک سوم ماده - عمدتاً به شکل ماده تاریک - تشکیل شده است و در چند میلیارد سال گذشته با سرعتی شتابان در حال گسترش است. با این حال، Pantheon+ همچنین یک اختلاف نظر بزرگ را در مورد سرعت این گسترش که هنوز حل نشده است، تقویت می‌کند.

با قرار دادن نظریه‌های کیهان‌شناسی مدرن رایج، معروف به مدل استاندارد کیهان‌شناسی، بر پایه شواهد و آماری محکم‌تر، Pantheon+ بیشتر در را بر روی چارچوب‌های جایگزین که انرژی تاریک و ماده تاریک را محاسبه می‌کنند، می‌بندد. هر دو پایه‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی هستند، اما هنوز مستقیماً شناسایی نشده‌اند.

آن‌ها در میان بزرگترین اسرار مدل قرار می‌گیرند. با پیگیری نتایج Pantheon+، محققان اکنون می‌توانند آزمایش‌های رصدی دقیق‌تری را دنبال کنند و توضیحاتی را برای کیهان ظاهری ارائه دهند.

برداشت هنرمندانه از ادغام دو ستاره کوتوله سفید و ایجاد یک ابرنواختر نوع Ia.

دیلون بروت، یکی از همکاران انیشتین در مرکز اخترفیزیک می‌گوید: «با این نتایج Pantheon+، ما می‌توانیم دقیق‌ترین محدودیت‌ها را بر روی دینامیک و تاریخ جهان تا به امروز اعمال کنیم». هاروارد و اسمیتسونیان ما داده‌ها را بررسی کرده‌ایم و اکنون می‌توانیم با اطمینان بیشتری نسبت به قبل بگوییم که جهان در طی اعصار چگونه تکامل یافته است و بهترین نظریه‌های فعلی برای انرژی تاریک و ماده تاریک قوی هستند.»

بروت نویسنده اصلی مجموعه‌ای از مقالات است که تجزیه و تحلیل جدید Pantheon+ را توصیف می‌کند که به طور مشترک در ۱۹ اکتبر در یک شماره ویژه مجله Astrophysical منتشر شد.

Pantheon+ بر اساس بزرگترین مجموعه داده در نوع خود است که شامل بیش از ۱۵۰۰ انفجار ستاره‌ای به نام ابرنواختر نوع Ia است. این انفجار‌های درخشان زمانی اتفاق می‌افتند که ستاره‌های کوتوله سفید - بقایای ستارگانی مانند خورشید ما - جرم زیادی جمع می‌کنند و تحت یک واکنش گرما هسته‌ای فراری قرار می‌گیرند. از آنجایی که ابرنواختر‌های نوع Ia بیشتر از کل کهکشان‌ها می‌درخشند، انفجار‌های ستاره‌ای را می‌توان در فواصل بیش از ۱۰ میلیارد سال نوری یا در حدود سه چهارم کل سن کیهان مشاهده کرد. 

با توجه به اینکه ابرنواختر‌ها با درخشندگی‌های ذاتی تقریباً یکنواخت می‌سوزند، دانشمندان می‌توانند از روشنایی ظاهری انفجار‌ها که با فاصله کاهش می‌یابد، همراه با اندازه گیری‌های انتقال به سرخ به عنوان نشانگر زمان و مکان استفاده کنند.

این اطلاعات به نوبه خود نشان می‌دهد که جهان با چه سرعتی در طول دوره‌های مختلف منبسط می‌شود، که سپس برای آزمایش نظریه‌های اجزای اساسی جهان استفاده می‌شود.

کشف موفقیت آمیز در سال ۱۹۹۸ از رشد شتابان جهان به لطف مطالعه ابرنواختر‌های نوع Ia به این روش بود. دانشمندان این انبساط را به یک انرژی نامرئی نسبت می‌دهند، بنابراین انرژی تاریک نامیده می‌شود که ذاتی ساختار خود جهان است.

دهه‌های بعدی کار به جمع‌آوری مجموعه‌های داده بزرگ‌تر ادامه داد و ابرنواختر‌ها را در محدوده وسیع‌تری از فضا و زمان آشکار کرد و Pantheon+ اکنون آن‌ها را در قوی‌ترین تحلیل‌های آماری تا به امروز گرد هم آورده است.

G۲۹۹ توسط دسته خاصی از ابرنواختر‌ها به نام نوع Ia باقی مانده است.

آدام ریس، یکی از برندگان جایزه نوبل در سال ۲۰۱۱ همچنین از دانش آموختگان دانشگاه هاروارد و دارای مدرک دکترای اخترفیزیک می‌گوید: از بسیاری جهات، این آخرین تحلیل پانتئون+ نقطه اوج بیش از دو دهه تلاش مجدانه ناظران و نظریه پردازان در سراسر جهان برای رمزگشایی از ماهیت کیهان است.

با این مجموعه داده ترکیبی Pantheon+، ما دید دقیقی از جهان از زمانی که ماده تاریک بر جهان تسلط داشت تا زمانی که جهان تحت تسلط انرژی تاریک قرار گرفت، به دست می‌آوریم. - دیلون بروت

حرفه خود بروت در کیهان‌شناسی به سال‌های لیسانس او ​​در JHU بازمی‌گردد، جایی که ریس به او آموزش و مشاوره می‌داد. برووت در آن زمان با دانشجوی دکترا و مشاور ریس، دان اسکلنیک، که اکنون استادیار فیزیک در دانشگاه دوک و یکی دیگر از نویسندگان دیگر سری جدید مقالات است، کار کرد.

چندین سال پیش، Scolnic تجزیه و تحلیل اصلی پانتئون را از حدود ۱۰۰۰ ابرنواختر توسعه داد.

اکنون، Brout و Scolnic و تیم جدید Pantheon+ آن‌ها حدود ۵۰ درصد نقاط داده ابرنواختر بیشتری را در Pantheon+ اضافه کرده‌اند، همراه با بهبود تکنیک‌های تجزیه و تحلیل و رسیدگی به منابع احتمالی خطا، که در نهایت دقت دو برابر پانتئون اصلی را به دست آورده است.

بروت می‌گوید: این جهش هم در کیفیت مجموعه داده‌ها و هم در درک ما از فیزیک که زیربنای آن است، بدون تیمی درخشان از دانشجویان و همکارانی که سخت کوشند تا هر جنبه‌ای از تجزیه و تحلیل را بهبود بخشند، امکان‌پذیر نبود.

با در نظر گرفتن کل داده ها، تجزیه و تحلیل جدید نشان می‌دهد که ۶۶.۲ درصد از جهان به صورت انرژی تاریک ظاهر می‌شود و ۳۳.۸ درصد باقی مانده ترکیبی از ماده تاریک و ماده است. 

برای دستیابی به درک جامع‌تری از اجزای تشکیل‌دهنده جهان در دوره‌های مختلف، بروت و همکارانش Pantheon+ را با سایر معیار‌های قوی، مستقل و مکمل ساختار مقیاس بزرگ جهان و با اندازه‌گیری‌هایی از اولین نور در جهان ترکیب کردند. 

یکی دیگر از نتایج کلیدی Pantheon+ به یکی از اهداف مهم کیهان‌شناسی مدرن مربوط می‌شود: کاهش نرخ انبساط کنونی جهان که به ثابت هابل معروف است. ادغام نمونه پانتئون+ با داده‌های همکاری SH۰ES (ابرنواختر H۰ برای معادله حالت)، به رهبری ریس، منجر به دقیق‌ترین اندازه‌گیری محلی نرخ انبساط فعلی جهان می‌شود.

Pantheon+ و SH۰ES با هم ثابت هابل ۷۳.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را با عدم قطعیت تنها ۱.۳ درصد پیدا می‌کنند. به روشی دیگر، برای هر مگاپارسک یا ۳.۲۶ میلیون سال نوری، این تحلیل تخمین می‌زند که در کیهان نزدیک، خود فضا با سرعت بیش از ۱۶۰۰۰۰ مایل در ساعت در حال گسترش است.

با این حال، مشاهدات یک دوره کاملاً متفاوت از تاریخ جهان، داستان متفاوتی را پیش‌بینی می‌کند. اندازه‌گیری‌های اولیه‌ترین نور کیهان، پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، هنگامی که با مدل استاندارد کیهان‌شناسی کنونی ترکیب می‌شود، ثابت هابل را با سرعتی به‌طور قابل‌توجهی کمتر از رصد‌هایی است که از طریق ابرنواختر‌های نوع Ia و دیگر نشانگر‌های اخترفیزیکی انجام می‌شود. این اختلاف قابل توجه بین این دو روش، تنش هابل نامیده می‌شود.

مجموعه داده‌های جدید Pantheon+ و SH۰ES این تنش هابل را افزایش می‌دهد. در واقع، اکنون تنش از آستانه مهم ۵ سیگما (در حدود یک در میلیون احتمال وقوع به دلیل شانس تصادفی) عبور کرده است که فیزیکدانان از آن برای تمایز بین تصادفات آماری احتمالی و چیزی که باید بر این اساس درک شود، استفاده می‌کنند. رسیدن به این سطح آماری جدید چالشی را برای نظریه پردازان و اخترفیزیکدانان برای تلاش برای توضیح اختلاف ثابت هابل برجسته می‌کند.

بروت می‌گوید: ما فکر می‌کردیم که می‌توان سرنخ‌هایی برای راه‌حلی جدید برای این مشکلات در مجموعه داده‌هایمان پیدا کرد، اما در عوض، متوجه می‌شویم که داده‌های ما بسیاری از این گزینه‌ها را رد می‌کند و اختلافات عمیق مثل همیشه سرسخت باقی می‌ماند.

نتایج Pantheon+ می‌تواند به این نکته کمک کند که راه‌حل تنش هابل کجاست. بروت می‌گوید: بسیاری از نظریه‌های اخیر به فیزیک جدید عجیب و غریب در اوایل جهان اشاره کرده‌اند، با این حال، چنین نظریه‌های تایید نشده باید در برابر فرآیند علمی مقاومت کنند و تنش هابل همچنان یک چالش بزرگ است.

به طور کلی، Pantheon+ نگاهی جامع به بسیاری از تاریخ کیهانی به دانشمندان ارائه می‌دهد. اولین و دورترین ابرنواختر در مجموعه داده‌ها از فاصله ۱۰.۷ میلیارد سال نوری از ما می‌درخشد، یعنی زمانی که جهان تقریباً یک چهارم سن فعلی خود را داشت. در آن دوران قبلی، ماده تاریک و گرانش مرتبط با آن، نرخ انبساط جهان را کنترل می‌کرد. 

چنین وضعیتی در طی چندین میلیارد سال آینده به طور چشمگیری تغییر کرد، زیرا تأثیر انرژی تاریک بر ماده تاریک غلبه کرد. انرژی تاریک از آن زمان تا کنون محتویات کیهان را دورتر و با سرعتی فزاینده از هم پرت کرده است.

بروت می‌گوید: با این مجموعه داده ترکیبی Pantheon+، ما دید دقیقی از جهان از زمانی که ماده تاریک بر جهان تسلط داشت تا زمانی که جهان تحت تسلط انرژی تاریک قرار گرفت، به دست می‌آوریم. این مجموعه داده یک فرصت منحصر به فرد برای مشاهده روشن شدن انرژی تاریک و هدایت تکامل کیهان در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها در زمان حاضر است.

مطالعه این تغییر اکنون با شواهد آماری حتی قوی‌تر، امیدوار است به بینش‌های جدیدی در مورد ماهیت مرموز انرژی تاریک منجر شود.

بروت می‌گوید: Pantheon+ بهترین فرصت را تا به امروز به ما می‌دهد تا انرژی تاریک، منشأ آن و تکامل آن را محدود کنیم.