Künstlerische Darstellung von zwei Weißen Zwergsternen, die verschmelzen und eine Supernova vom Typ Ia erzeugen. Bildnachweis: ESO/L. Calçada
Eine Analyse von Supernova-Explosionen aus mehr als zwei Jahrzehnten stärkt überzeugend moderne kosmologische Theorien und belebt die Bemühungen, grundlegende Fragen zu beantworten.
Astrophysiker haben eine leistungsstarke neue Analyse durchgeführt, die der Zusammensetzung und Entwicklung des Universums die bisher genauesten Grenzen setzt. Mit dieser als Pantheon+ bezeichneten Analyse befinden sich Kosmologen an einem Scheideweg.
Pantheon+ stellt überzeugend fest, dass der Kosmos zu etwa zwei Dritteln aus dunkler Energie und zu einem Drittel aus Materie besteht – überwiegend in Form von dunkler Materie – und sich in den letzten Milliarden Jahren immer schneller ausdehnt. Pantheon+ zementiert jedoch auch eine große Meinungsverschiedenheit über das Tempo dieser Expansion, die noch gelöst werden muss.
Indem die vorherrschenden modernen kosmologischen Theorien, bekannt als das Standardmodell der Kosmologie, auf eine noch solidere beweiskräftige und statistische Grundlage gestellt werden, schließt Pantheon+ die Tür zu alternativen Rahmenwerken, die dunkle Energie und dunkle Materie berücksichtigen. Beide sind Grundsteine des Standardmodells der Kosmologie, müssen aber noch direkt entdeckt werden. Sie zählen zu den größten Geheimnissen des Modells. Anknüpfend an die Ergebnisse von Pantheon+ können Forscher nun genauere Beobachtungstests durchführen und Erklärungen für den angeblichen Kosmos verfeinern.
G299 wurde von einer bestimmten Klasse von Supernovas namens Typ Ia übrig gelassen. Bildnachweis: NASA/CXC/U.Texas
„Mit diesen Pantheon+-Ergebnissen sind wir in der Lage, die Dynamik und Geschichte des Universums bis heute am genauesten einzuschränken“, sagt Dillon Brout, Einstein Fellow am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „Wir haben die Daten durchkämmt und können jetzt mit mehr Zuversicht als je zuvor sagen, wie sich das Universum im Laufe der Äonen entwickelt hat und dass die derzeit besten Theorien für dunkle Energie und dunkle Materie Bestand haben.“
Brout ist der Hauptautor einer Reihe von Artikeln, die die neue Pantheon+-Analyse beschreiben, die gemeinsam am 19. Oktober in einer Sonderausgabe von veröffentlicht wurde Das Astrophysikalische Journal.
Pantheon+ basiert auf dem größten Datensatz seiner Art, der mehr als 1.500 Sternexplosionen umfasst, die als Typ-Ia-Supernovae bezeichnet werden. Diese hellen Explosionen treten auf, wenn[{” 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.
Die bahnbrechende Entdeckung des beschleunigten Wachstums des Universums im Jahr 1998 war einer Untersuchung von Typ-Ia-Supernovae auf diese Weise zu verdanken. Wissenschaftler schreiben die Expansion einer unsichtbaren Energie zu, die daher als dunkle Energie bezeichnet wird und der Struktur des Universums selbst innewohnt. In den folgenden Jahrzehnten der Arbeit wurden immer größere Datensätze zusammengestellt, die Supernovae in einem noch größeren Raum- und Zeitbereich enthüllten, und Pantheon+ hat sie nun in der bisher statistisch robustesten Analyse zusammengeführt.
„In vielerlei Hinsicht ist diese jüngste Pantheon+-Analyse der Höhepunkt von mehr als zwei Jahrzehnten fleißiger Bemühungen von Beobachtern und Theoretikern weltweit, die Essenz des Kosmos zu entschlüsseln“, sagt Adam Riess, einer der Gewinner des Nobelpreises 2011 in Physik für die Entdeckung der beschleunigten Expansion des Universums und Bloomberg Distinguished Professor an der Johns Hopkins University (JHU) und dem Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Riess ist auch Absolvent der Harvard University und hat in Astrophysik promoviert.
„Mit diesem kombinierten Pantheon+-Datensatz erhalten wir eine genaue Ansicht des Universums von der Zeit, als es von dunkler Materie dominiert wurde, bis zu der Zeit, als das Universum von dunkler Energie dominiert wurde.“ — Dillon Brout
Brouts eigene Karriere in der Kosmologie geht auf seine Studienjahre an der JHU zurück, wo er von Riess unterrichtet und beraten wurde. Dort arbeitete Brout mit dem damaligen Doktoranden und Riess-Berater Dan Scolnic zusammen, der jetzt Assistenzprofessor für Physik an der Duke University und ein weiterer Co-Autor der neuen Reihe von Artikeln ist.
Vor einigen Jahren entwickelte Scolnic die ursprüngliche Pantheon-Analyse von ungefähr 1.000 Supernovae.
Jetzt haben Brout und Scolnic und ihr neues Pantheon+-Team rund 50 Prozent mehr Supernovae-Datenpunkte in Pantheon+ hinzugefügt, verbunden mit Verbesserungen der Analysetechniken und der Adressierung potenzieller Fehlerquellen, was letztendlich zu einer doppelt so hohen Genauigkeit des ursprünglichen Pantheon geführt hat.
„Dieser Sprung sowohl in der Datensatzqualität als auch in unserem Verständnis der zugrunde liegenden Physik wäre ohne ein hervorragendes Team von Studenten und Mitarbeitern nicht möglich gewesen, die fleißig daran gearbeitet haben, jede Facette der Analyse zu verbessern“, sagt Brout.
Betrachtet man die Daten als Ganzes, so besagt die neue Analyse, dass sich 66,2 Prozent des Universums als dunkle Energie manifestieren, wobei die restlichen 33,8 Prozent eine Kombination aus dunkler Materie und Materie sind. Um zu einem noch umfassenderen Verständnis der Bestandteile des Universums in verschiedenen Epochen zu gelangen, kombinierten Brout und Kollegen Pantheon+ mit anderen stark belegten, unabhängigen und komplementären Messungen der großräumigen Struktur des Universums und mit Messungen vom frühesten Licht an das Universum, der kosmische Mikrowellenhintergrund.
„Mit diesen Pantheon+-Ergebnissen sind wir in der Lage, die Dynamik und Geschichte des Universums bis heute am genauesten einzuschränken.“ — Dillon Brout
Ein weiteres wichtiges Pantheon+-Ergebnis bezieht sich auf eines der vorrangigen Ziele der modernen Kosmologie: die Bestimmung der aktuellen Expansionsrate des Universums, bekannt als Hubble-Konstante. Das Poolen der Pantheon+-Probe mit Daten aus der von Riess geleiteten SH0ES-Kollaboration (Supernova H0 for the Equation of State) führt zur strengsten lokalen Messung der aktuellen Expansionsrate des Universums.
Pantheon+ und SH0ES finden zusammen eine Hubble-Konstante von 73,4 Kilometern pro Sekunde pro Megaparsec mit nur 1,3 % Unsicherheit. Anders ausgedrückt: Für jeden Megaparsec oder 3,26 Millionen Lichtjahre schätzt die Analyse, dass sich der Weltraum selbst im nahen Universum mit mehr als 160.000 Meilen pro Stunde ausdehnt.
Beobachtungen aus einer ganz anderen Epoche der Geschichte des Universums sagen jedoch eine andere Geschichte voraus. Messungen des frühesten Lichts des Universums, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, legen in Kombination mit dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie die Hubble-Konstante durchweg mit einer Rate fest, die deutlich geringer ist als Beobachtungen, die über Typ-Ia-Supernovae und andere astrophysikalische Marker gemacht wurden. Diese beträchtliche Diskrepanz zwischen den beiden Methoden wurde als Hubble-Spannung bezeichnet.
Die neuen Datensätze Pantheon+ und SH0ES verstärken diese Hubble-Spannung. Tatsächlich hat die Spannung jetzt die wichtige 5-Sigma-Schwelle überschritten (ungefähr eine Wahrscheinlichkeit von eins zu einer Million, dass sie durch Zufall entsteht), die Physiker verwenden, um zwischen möglichen statistischen Zufallstreffern und etwas zu unterscheiden, das entsprechend verstanden werden muss. Das Erreichen dieses neuen statistischen Niveaus unterstreicht die Herausforderung für Theoretiker und Astrophysiker, die Diskrepanz der Hubble-Konstante zu erklären.
„Wir dachten, es wäre möglich, in unserem Datensatz Hinweise auf eine neuartige Lösung für diese Probleme zu finden, aber stattdessen stellen wir fest, dass unsere Daten viele dieser Optionen ausschließen und dass die tiefgreifenden Diskrepanzen so hartnäckig wie eh und je bleiben“, sagt Brout .
Die Pantheon+-Ergebnisse könnten dabei helfen, aufzuzeigen, wo die Lösung für die Hubble-Spannung liegt. „Viele neuere Theorien deuten auf exotische neue Physik im sehr frühen Universum hin, aber solche unbestätigten Theorien müssen dem wissenschaftlichen Prozess standhalten, und die Hubble-Spannung bleibt eine große Herausforderung“, sagt Brout.
Insgesamt bietet Pantheon+ Wissenschaftlern einen umfassenden Rückblick auf einen Großteil der kosmischen Geschichte. Die frühesten und am weitesten entfernten Supernovae im Datensatz leuchten aus einer Entfernung von 10,7 Milliarden Lichtjahren, also aus einer Zeit, als das Universum etwa ein Viertel seines heutigen Alters hatte. In dieser früheren Ära hielten dunkle Materie und die damit verbundene Gravitation die Expansionsrate des Universums in Schach. Dieser Zustand änderte sich in den nächsten Milliarden Jahren dramatisch, als der Einfluss der Dunklen Energie den der Dunklen Materie überwältigte. Dunkle Energie hat seitdem den Inhalt des Kosmos immer weiter und mit immer größerer Geschwindigkeit auseinandergeschleudert.
„Mit diesem kombinierten Pantheon+-Datensatz erhalten wir eine genaue Ansicht des Universums von der Zeit, als es von dunkler Materie dominiert wurde, bis zu der Zeit, als das Universum von dunkler Energie dominiert wurde“, sagt Brout. „Dieser Datensatz ist eine einzigartige Gelegenheit, um zu sehen, wie sich dunkle Energie einschaltet und die Evolution des Kosmos in den größten Maßstäben bis in die Gegenwart vorantreibt.“
Die Untersuchung dieser Umstellung jetzt mit noch stärkeren statistischen Beweisen wird hoffentlich zu neuen Einsichten in die rätselhafte Natur der Dunklen Energie führen.
„Pantheon+ gibt uns unsere bisher beste Chance, dunkle Energie, ihre Ursprünge und ihre Entwicklung einzuschränken“, sagt Brout.
Referenz: „The Pantheon+ Analysis: Cosmological Constraints“ von Dillon Brout, Dan Scolnic, Brodie Popovic, Adam G. Riess, Anthony Carr, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, W. D’Arcy Kenworthy, Erik R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmese, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexei V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh W. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirshner, Anais Möller, Jessie Muir, Seshadri Nadathur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sako, Matthew R. Siebert, Mat Smith, Benjamin E. Stahl und Phil Wiseman, 19. Oktober 2022, Das Astrophysikalische Journal.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04