Дослідження понад 1500 наднових, проведене Камерою темної енергії, наклало сильні обмеження на прискорене розширення Всесвіту.
Результати показують, що таємнича сила, яка керує цим космічним прискоренням, темна енергія, може змінюватися з часом, змінюючи щільність, що ставить під сумнів стандартну модель космології.
Результати були отримані за допомогою найбільшої вибірки наднових, коли-небудь зібраної одним приладом у рамках дослідження темної енергії. Наднові були невід’ємною частиною відкриття наприкінці 1990-х років, що Всесвіт не тільки розширюється, але й робить це прискореними темпами.
Це було величезним сюрпризом для фізиків, які очікували, що після початкового швидкого роздування космосу під час Великого вибуху космічне розширення мало сповільнитися, але воно прискорюється.
Темна енергія була запропонована як заповнювач будь-якого невідомого аспекту Всесвіту, який спричиняє це таємниче та тривожне космічне прискорення, але вчені не можуть точно сказати, що це таке. Ця проблема ускладнюється тим фактом, що тепер вважається, що темна енергія становить від 65% до 70% загальної енергії та матерії в космосі.
Дослідження темної енергії, проведене камерою темної енергії, встановленою на 4-метровому телескопі Віктора М. Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро-Тололо на півночі Чилі, показує, що спостереження за надновими залишаються невід’ємною частиною розгадки таємниці, яку такі дослідження породили 25 років тому.
Нові результати Дослідження темної енергії були представлені на 243-му засіданні Американського астрономічного товариства 8 січня 2024 року, а команда, що стоїть за ними, додала, що вони узгоджуються зі стандартною моделлю космології, так званої «холодної лямбда-темної матерії», модель (ΛCDM), яка показує всесвіт із прискореним розширенням.
Вони накладають найсуворіші обмеження на історію розширення протягом 13,8 мільярдів років історії космосу, але вони також залишають простір для більш складних моделей Всесвіту.
Дослідження темної енергії стандартними свічками
Щоб зібрати ці дані, 570-мегапіксельна камера темної енергії, створена Fermilab, спостерігала за небом над Землею протягом 758 ночей, спостерігаючи 2 мільйони віддалених галактик. У них потужна камера помітила тисячі наднових.
З цієї вибірки машинне навчання змогло визначити, що 1499 були особливим типом зіркового вибуху, який називається надновою типу Ia. Це відбувається, коли мертві зірки, які називаються білими карликами, які давно вичерпали водень для здійснення ядерного синтезу та перетворилися на гелій у своїх ядрах, існують у подвійній системі з іншою зіркою.
Білі карлики тягнуть матеріал зі свого компаньйона або зірки-донора, і коли ця речовина накопичується на мертвій зірці, це може підштовхнути білого карлика за так звану межу Чандрасекара. Це межа маси, яка потрібна зірці, щоб стати надновою.
Ці наднові типу Ia настільки однорідні, що вчені називають їх «стандартними свічками», а їх світло можна використовувати для вимірювання величезних відстаней у космосі.
Крім того, оскільки довжина хвилі світла від віддалених об’єктів розтягується до червоного кінця електромагнітного спектру, процес називається «червоним зміщенням», коли вони віддаляються від Землі, рівномірний вихід світла стандартних свічок на різних відстанях можна використовувати для вимірювання розширення Всесвіту.
Таким чином, порівняння червоного зміщення ближчих наднових типу Ia з червоним зміщенням більш віддалених і, отже, більш ранніх вибухів білих карликів може дати натяк на силу цього розширення і, таким чином, на щільність темної матерії у відповідні періоди космічної історії.
Результати нового дослідження темної енергії втричі перевищують відому кількість наднових при червоному зміщенні приблизно 0,2, що відповідає відстані приблизно 2,5 мільярда світлових років. Це в п’ять разів перевищує відому кількість стандартних свічок із червоним зсувом приблизно 0,5, що відповідає відстані приблизно в 6 мільярдів світлових років.
«Це дійсно значне збільшення порівняно з 25-річною давниною, коли для визначення темної енергії використовувалися лише 52 наднові», — заявила у своїй заяві член робочої групи Dark Energy Survey і професор Квінслендського університету Тамара Девіс.
Темна енергія не завжди була такою густою
З таким більшим розміром вибірки наднових типу Ia на такій ширині космічних відстаней команда могла відстежити записи космічного розширення, поєднуючи відстані цих вибухів зі швидкістю, з якою вони віддаляються від Землі.
Це служило показником того, чи щільність темної енергії залишалася стабільною, що, здавалося, було не так.
«У міру того як Всесвіт розширюється, щільність матерії падає», — сказав у тій самій заяві директор і представник Dark Energy Survey Річ Крон. «Але якщо щільність темної енергії є постійною, це означає, що загальна частка темної енергії повинна зростати зі збільшенням об’єму».
Це може бути викликом для моделі Всесвіту ΛCDM, математичної моделі, яка описує, як розвивається Всесвіт, за допомогою лише кількох ключових характеристик, таких як щільність матерії, тип матерії та поведінка темної енергії.
Це пов’язано з тим, що ΛCDM припускає, що щільність темної енергії постійна і не розріджується в міру розширення Всесвіту, результати дослідження наднової зірки можуть не відповідати дійсності.
«Є спокусливі натяки на те, що темна енергія змінюється з часом. Ми виявили, що найпростіша модель темної енергії — ΛCDM — не найкраще підходить», — додав Девіс. «Це не так далеко, щоб ми виключили це, але в прагненні зрозуміти, що прискорює розширення Всесвіту, це нова інтригуюча частина головоломки. Можливо, знадобиться більш складне пояснення».
Відповіді на цю головоломку, мабуть, доведеться почекати, поки не почнеться наступне покоління досліджень наднових і не підхопить дослідження темної енергії.
«Цей результат чітко демонструє цінність проєктів астрономічних досліджень, які продовжують давати чудові наукові результати навіть після завершення збору даних», — сказав у тій самій заяві програмний директор відділу астрономічних наук Національного наукового фонду Найджел Шарп. «Нам потрібно якомога більше різноманітних підходів, щоб зрозуміти, що таке темна енергія, а що ні. Це важливий шлях до такого розуміння».
Результати дослідження темної енергії були представлені в Astrophysical Journal.