[Перевод] Полторы тысячи сверхновых легли в основу самого подробного наблюдения за тёмной материей и тёмной энергией
G299 — остатки сверхновой типа Ia
Два десятилетия наблюдений за взрывами сверхновых и новый мощный инструмент анализа данных смогли дать нам наиболее подробный обзор тёмной энергии и тёмной материи на сегодняшний день.
Тёмная энергия и тёмная материя — иногда их называют совместно «тёмной Вселенной» — тёмные лошадки современной науки. С одной стороны, они вносят вклад в не менее, чем в 95% общей энергии и материи Вселенной. С другой стороны, их никак не получается наблюдать напрямую. Вывод о существовании тёмной энергии делается на основе факта расширения Вселенной. Тёмная материя, ничего не излучающая и взаимодействующая со всей остальной материей и энергией только через гравитацию, обнаруживается через особенности вращения галактик и другие признаки.
Новый анализ, который авторы назвали Pantheon+, подтверждает, что всё содержимое массы-энергии Вселенной на две трети состоит из тёмной энергии и на треть из материи, причём большая часть последней — это тёмная материя. Также анализ подтвердил, что в последние несколько миллиардов лет Вселенная расширяется с ускорением. Главный спор — точное значение скорости этого расширения — пока остаётся неразрешённым.
Результаты, полученные астрофизиками в рамках проекта Pantheon+, дают дополнительные статистические свидетельства того, что современные космологические теории дают наилучшее объяснение поведения тёмной энергии и тёмной материи. А значит, Pantheon+ может закрыть вопрос альтернативных научных платформ, пытающихся объяснить эти загадочные природные аспекты, а также улучшить понимание учёными свойств тёмной вселенной.
«Эти результаты проекта Pantheon+ дают нам наиболее точные ограничения динамики и истории развития Вселенной на сегодняшний день», — сказал Диллон Браут, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. «Мы прошлись по всем данным и можем с уверенностью большей, чем когда-либо, описать эволюцию Вселенной на протяжении огромного количества лет, а также подтвердить существующие теории, касающиеся тёмной энергии и тёмной материи».
Проливаем свет на тёмную Вселенную при помощи космических свечей
Предшественник данного проекта, Pantheon, разрабатывал Дэн Школьник — физик из Университета Дьюка в Северной Каролине и соавтор нового проекта. Предыдущий проект, стартовавший несколько лет назад, работал с данными по 1000 сверхновых.
В новом исследовании Браут, Школьник и коллеги дополнили базу до 1500 сверхновых. Также они улучшили техники анализа и учли новые потенциальные источники ошибок. В результате точность у Pantheon+ выросла вдвое по сравнению с Pantheon.
Технология определения астрономических расстояний зиждется на сверхновых типа Ia. Это явление связано с останками звёзд, белыми карликами, которым удаётся перетянуть достаточно большой объём материи со звезды-компаньона. Это запускает выходящую из-под контроля термоядерную реакцию и последующий взрыв.
Подобные космические взрывы бывают такими яркими, что на короткое время способны превзойти по яркости суммарную яркость всех звёзд в галактике. Астрономы могут наблюдать подобные сверхновые на расстояниях до 10 млрд световых лет. Естественно, наблюдая звезду, находящуюся в 10 млрд световых лет от нас, мы наблюдаем её в состоянии, в котором она находилась 10 млрд лет назад — когда возраст Вселенной был в 4 раза меньше.
Поскольку массы белых карликов, способных взорваться описанным образом, ограничены сверху, сверхновые типа Ia обладают одинаковой максимальной светимостью, поэтому могут использоваться в качестве «стандартных свечей» — объектов заранее известной яркости, благодаря которым можно измерять расстояния до далёких галактик.
Расстояние измеряется на основе закона об убывании яркости света. Расширение Вселенной рассчитать труднее — нужно определить степень красного смещения света, который «растягивается» из-за расширения, путешествуя миллиарды лет по Вселенной.
Красное смещение света от различных сверхновых, расположенных на различных расстояниях, даёт представление о том, как быстро Вселенная расширялась на различных этапах своего развития. Эти измерения в свою очередь можно использовать для проверки теорий, описывающих фундаментальные компоненты Вселенной — в том числе, и тёмную материю с тёмной энергией.
Две разных команды учёных в 1998 году использовали наблюдения за далёкими сверхновыми типа Ia и пришли к выводу, что Вселенная расширяется с ускорением. Это стало шоком для большинства физиков, считавших, что фактор, запустивший изначальное быстрое расширение Вселенной — Большой взрыв — больше не действует, и расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитации.
Фактор, приводящий к постоянному расширению ткани пространства, назвали тёмной энергией. Тёмная материя, наоборот, удерживает при помощи гравитации звёзды в галактиках, не давая им разлетаться.
Расширение Вселенной начало ускоряться, когда тёмная энергия начала доминировать над гравитационным влиянием материи — в основном, тёмной — и стала расширять Вселенную со всё возрастающей скоростью.
«При помощи базы данных Pantheon+ мы способны очень точно отследить развитие Вселенной с того времени, когда в ней доминировала тёмная материя, до того момента, когда в ней стала доминировать тёмная энергия, — сказал Браут. — Этот набор данных — уникальная возможность увидеть, как тёмная энергия включилась и начала влиять на эволюцию космоса на крупнейших масштабах, и влияет до сих пор».
Проблема постоянной Хаббла не разрешилась
С другой стороны, анализ Pantheon+ обострил существующую в космологии проблему.
Скорость расширения Вселенной, а точнее — разбегания галактик, пропорциональна коэффициенту под названием «постоянная Хаббла». Анализ Pantheon+ с помощью стандартных свечей позволил оценить её в 73,4 (км/с)/Мпк с погрешностью в 1,3%.
Другой способ оценить эту постоянную — использовать данные по реликтовому излучению. Проблема в том, что при таком подходе получается другое число — 67,4 ± 0,5 (км/c)/Мпк. Это расхождение называют «напряжённостью Хаббла», и полученные в проекте Pantheon+ результаты только подчёркивают это различие. По расчётам, вероятность того, что оно случайно, составляет 1:1 000 000. Несмотря на это, новый анализ может помочь найти первопричину этого расхождения.
«Мы подумали, что сможем найти в наших данных ключи к новому решению старых проблем, однако вместо этого данные отмели некоторые варианты разрешения проблемы и расхождение стало ещё упрямее, чем когда бы то ни было, — сказал Браут. — В последнее время появилось множество теорий, предполагающих наличие экзотической физики в ранней Вселенной, однако им ещё предстоит выдержать строгую научную проверку».
Pantheon+ суммирует наблюдения за сверхновыми типа Ia, проведённые с 1998 года, когда произошло прорывное открытие тёмной энергии.
Одним из соавторов нового исследования был Адам Рисс — космолог из университета Джонса Хопкинса, и один из членов команды, сделавших это открытие 1998 года. За открытие ускоренного расширения Вселенной в 2011 году он получил Нобелевскую премию.
По словам Рисса, по многим параметрам проект Pantheon+ стал кульминацией более чем двадцатилетней работы по расшифровке сути космоса, проделанной наблюдателями и теоретиками всего мира.
Исследование команды описано в серии статей, опубликованных в журнале Astrophysical Journal.
