超新星爆発で暗黒エネルギーと暗黒物質の詳細が明らかに

2 つの白色矮星が合体して Ia 型超新星を生み出す芸術的な印象。 クレジット: ESO/L. Calsada

20 年以上続いた超新星爆発の分析は、現代の宇宙論を説得力のある形で補強し、基本的な疑問に答える努力を活性化させます。

天体物理学者は、宇宙の形成と進化にこれまでで最も正確な限界を設定する強力な新しい分析を実施しました。 Pantheon+ と呼ばれるこの分析により、宇宙論者は岐路に立たされています。

Pantheon+ は、宇宙は約 3 分の 2 の暗黒エネルギーと 3 分の 1 の物質 (主に暗黒物質の形) で構成されており、過去数十億年にわたって加速的なペースで膨張してきたと説得力を持って主張しています。 ただし、パンテオン + は、この未解決の拡張のペースに関する主要な論争も固めています。

宇宙論の標準モデルとして知られる支配的な現代の宇宙論理論を、より確固たる証拠と統計的基盤の上に置くことによって、Pantheon+ は、 暗黒エネルギー そしてその 暗黒物質. どちらも宇宙論の標準モデルの基礎ですが、まだ直接発見されていません。 それらは、モデルの最大のパズルの 1 つです。 Pantheon+ の結果に続いて、研究者はより正確な観測テストを実行し、見かけの宇宙の説明を改善できるようになりました。

G299 は、タイプ Ia と呼ばれる特定のクラスの超新星によって取り残されました。 クレジット: NASA/CXC/U.Texas

天体物理学センターのアインシュタインのフェローであるディロン・プラウトは、「これらのパンテオン+の結果により、これまでの宇宙のダイナミクスと歴史に最も正確な制約を課すことができます. ハーバードとスミソニアン。 「私たちはデータをくまなく調べた結果、これまで以上に自信を持って、宇宙がどのように進化してきたか、暗黒エネルギーと暗黒物質の現在の最良の理論が有力であると言えるようになりました。」

Pruitt は、新しい パンテオン + 分析、10月19日に特集号で共同発行されました 天体物理ジャーナル.

Pantheon+ は、Ia 型超新星と呼ばれる 1,500 を超えるスターバーストを特徴とする、この種の最大のデータ セットに基づいています。 これらの明るい爆発は、[{” 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.

1998 年の宇宙の加速成長の画期的な発見は、このような Ia 型超新星の研究のおかげです。 科学者は、この膨張を目に見えないエネルギーに起因すると考えているため、宇宙自体の構造に固有の暗黒エネルギーと呼ばれています。 その後の数十年にわたる作業により、これまで以上に大規模なデータセットが集められ、より広い範囲の空間と時間にわたる超新星が明らかになりました。Pantheon+ は、これまでで最も強力な統計分析でそれらをまとめました。

宇宙の加速膨張を発見したことで 2011 年にノーベル物理学賞を受賞したアダム リースは、次のように述べています。 ジョンズ・ホプキンス大学 (JHU) と 宇宙望遠鏡科学研究所 メリーランド州ボルチモアにて。 Reese はハーバード大学の卒業生でもあり、天体物理学の博士号を取得しています。

Pruitt の宇宙論におけるキャリアは、ジョンズ ホプキンス大学の学部時代にまでさかのぼります。そこで彼は、Reese の指導を受け、アドバイスを受けました。 そこでプルイットは、当時博士課程の学生であり、現在はデューク大学の物理学の助教授であり、新しい論文シリーズのもう 1 人の共著者であるライス アドバイザーであるダン スコルニックと協力しました。

数年前、Skolnik は約 1,000 個の超新星の最初のパンテオン分析を開発しました。

現在、Brout、Scolnic、および彼らの新しいチームは、Pantheon+ に超新星データ ポイントを約 50% 追加し、分析技術の改善とエラーの潜在的な原因の処理を改善しました。これにより、最終的に元の Pantheon の精度が低下しました。

「このデータセットの品質の飛躍とそれを支える物理学の理解は、分析のあらゆる側面を改善するために懸命に取り組んでいる学生と共同研究者の優れたチームなしでは不可能だったでしょう」と Pruitt 氏は言います。

データ全体を見ると、新しい分析では、宇宙の 66.2% が暗黒エネルギーとして現れ、残りの 33.8% は物質と暗黒物質の混合物であることがわかります。 さまざまな時代の宇宙の構成要素をより包括的に理解するために、ブラウトと同僚は、Pantheon+ を、宇宙の大規模構造に対して強力に証明された他の独立した補完的なスケールと組み合わせ、宇宙の最も近い光からの測定値と組み合わせました。宇宙マイクロ波背景。

Pantheon+ のもう 1 つの主要な結果は、現代の宇宙論の主な目標の 1 つである、ハッブル定数として知られる現在の宇宙の膨張率を決定することに関連しています。 リースが率いる SH0ES (状態方程式の超新星 H0) からのデータを使用してパンテオン + サンプルを組み立てると、宇宙の現在の膨張率の最も厳密な局所測定値が得られます。

Allanthion+ と SH0ES を組み合わせることで、1 メガパーセクあたり 73.4 キロメートル/秒のハッブル定数がわずか 1.3% の不確実性で見つかります。 別の言い方をすれば、1 メガパーセクまたは 326 万光年ごとに、近くの宇宙では空間自体が時速 160,000 マイル以上で膨張していると分析は推定しています。

しかし、宇宙の歴史のまったく異なる時代からの観測は、別の物語を予測しています。 宇宙で最も古い光である宇宙マイクロ波背景放射の測定は、現在の宇宙論の標準モデルと組み合わせると、Ia 型超新星やその他の天体物理マーカーによる観測よりもはるかに低い速度でハッブル定数を一貫して確証します。 2 つの方法論の間のこの大きな相違は、ハッブル張力と呼ばれます。

新しい Pantheon+ と SH0ES データセットは、ハッブルの緊張を増幅します。 実際、張力は重要な 5 シグマのしきい値 (ランダムな偶然によって 100 万分の 1 が発生する確率) を超えています。 この新しい統計レベルに到達することは、理論家と天体物理学者の両方がハッブル定数の不一致を説明しようとする際に直面する課題を浮き彫りにします。

「私たちのデータセットでこれらの問題に対する新しい解決策の証拠を見つけることができると考えていましたが、代わりに、私たちのデータはこれらのオプションの多くを除外しており、深い不一致はこれまでと同じように扱いにくいままであることがわかりました.

Pantheon+ の結果は、ハッブル張力が解消される場所を示すのに役立ちます。 「現代の多くの理論は、初期宇宙の奇妙な新しい物理学を指摘し始めていますが、そのような未検証の理論は科学的プロセスに耐えなければならず、ハッブル張力は依然として大きな課題です」とプルイットは言います.

全体として、Pantheon+ は科学者に宇宙の歴史の多くを包括的に振り返る機会を提供します。 宇宙は現在の年齢の約 4 分の 1 だったので、データセット内の最も古くて最も遠い超新星は、107 億光年離れたところから輝いています。 その初期の時代には、暗黒物質とそれに関連する重力が宇宙の膨張率を制御していました。 暗黒エネルギーの影響が暗黒物質の影響を覆い隠したため、このような状況はその後数十億年にわたって劇的に変化しました。 それ以来、暗黒エネルギーが宇宙の中身を引き離し、その速度はますます速くなっています。

「このPantheon+データセットを組み合わせることで、暗黒物質が暗黒エネルギーに支配されていた時代からの宇宙の正確な見方が得られます」とプルイットは言います。 「このデータセットは、暗黒エネルギーが働いていることを確認し、現時点で宇宙の進化を最高レベルで推進するまたとない機会です。」

より強力な統計的証拠を使用してこの変化を今研究することで、神秘的な暗黒エネルギーの性質に関する新しい洞察が得られることを願っています。

「Pantheon+ は、暗黒エネルギー、その起源、およびその進化を制限する、これまでで最高の機会を与えてくれます」と Pruitt 氏は言います。

参照: 「Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints」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、エリック R. ピーターソン、カレド・サイード、ジョージー・テイラー、ヌール・アリ、パトリック・アームストロング、プラナフ・シャルヴォー、アリアナ・デュモー、コール・マルドルフ、アントネラ・パルメス、ヘレン・コー、ベンジャミン・M・ローズ、ブルーノ・サンチェス、クリストファー・W・スタッブス、マリア・ヴィンセンツィ、シャーロット・M・ウッド、ピーター・J・ブラウン、レベッカ・チン、ケン・チェンバーズ、デヴィッド・A・コールター、メーデー、ゲオルギオス・デメトリアディス、アレクセイ・F・フィリペンコ、ライアン・J・フォーリー、サウラブ・ジャ、リサ・ケルシー、ロバート・B・キルヒナー、アニス・ミュラー、ジェシー・ミューア、セシャドリ・ナドトール、イェン・チン・パン、アーミン・リスト、セザール・ロハス・ブラボー、マサオ・サッコ、マシュー・セイバート、マット・スミス、ベンジャミン・E・スタール、フィル・ワイズマン、2022年10月19日、 天体物理ジャーナル.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04