Исследование сверхновой звезды Pantheon+ раскрывает, из чего состоит наша Вселенная

С 1550 различными сверхновыми типа Ia, измеренными за ~10 миллиардов лет космического времени, набор данных Pantheon+ раскрывает нашу Вселенную.

Ключевые выводы

В 1998 году два разных коллектива, изучавших сверхновые в космическом времени, пришли к одному и тому же поразительному выводу: Вселенная не просто расширялась, а отдаленные галактики с течением времени удалялись все быстрее и быстрее.
С тех пор мы нашли несколько различных способов измерения расширяющейся Вселенной и пришли к «Стандартной модели» космологии, хотя некоторые расхождения все еще остаются.
В эпохальном исследовании, только что опубликованном Pantheon+, был проанализирован наиболее полный набор данных о сверхновых типа Ia на предмет их космологических последствий. Вот результаты.

Наши бесконечные поиски, как в физике, так и в астрономии, возможно, являются самыми амбициозными из всех: понять Вселенную на фундаментальном уровне. Такие вопросы, как:

из чего состоит Вселенная?
какие соотношения различных ингредиентов присутствуют?
как Вселенная стала такой, какая она есть сегодня?
с чего все началось?
и какова будет наша окончательная судьба в далеком будущем?

раньше был из области неразрешимых вопросов. Тем не менее, за последние 200 лет они перешли из сферы теологов, философов и поэтов в научную сферу. Впервые в истории человечества, а может быть, и во всем существовании, мы можем сознательно ответить на эти вопросы, открыв истины, которые написаны там, на лике самого космоса.

Каждый раз, когда мы совершенствуем наши лучшие методы измерения Вселенной - с помощью более точных данных, больших наборов данных, улучшенных методов, превосходных инструментов и меньших ошибок - мы получаем возможность улучшить то, что мы знаем. Один из самых эффективных способов исследовать Вселенную - это особый тип сверхновых: взрывы типа Ia, свет которых позволяет нам определить, как Вселенная развивалась и расширялась с течением времени. Имея рекордные 1550 сверхновых типа Ia в своем наборе данных за февраль 2020 года, команда Pantheon+ только что выпустила препринт новой статьи, подробно описывающей текущее состояние космологии. Вот, насколько нам известно, то, что мы узнали о Вселенной, в которой мы живем.

Два разных способа создания сверхновой типа Ia: сценарий аккреции (слева) и сценарий слияния (справа). Сценарий слияния отвечает за большинство многих элементов периодической таблицы, включая железо, которое является 9-м наиболее распространенным элементом во Вселенной в целом.

Как работают сверхновые типа Ia

Прямо сейчас по всей Вселенной сохраняются трупы солнцеподобных звезд, завершивших свой жизненный цикл. У всех этих звездных остатков есть несколько общих черт: все они горячие, слабые, состоят из атомов, удерживаемых вырождающимся давлением их электронов, и имеют массу, которая примерно в 1,4 раза меньше массы Солнца.

Но у некоторых из них есть двойные спутники, и они могут выкачивать из них массу, если их орбиты достаточно близки.

И другие встретятся с другими белыми карликами, что может привести к возможному слиянию.

И другие столкнутся с материей других типов, включая другие звезды и массивные сгустки материи.

Когда произойдут эти события, атомы в центре белого карлика - если их общая масса превысит определенный критический порог - в экстремальных условиях станут настолько плотно упакованными, что различные ядра этих атомов начнут сливаясь воедино. Продукты этих первоначальных реакций будут катализировать термоядерные реакции в окружающем материале, и в конце концов весь звездный остаток, сам белый карлик, будет разорван на части в результате неконтролируемой термоядерной реакции. Это приводит к взрыву сверхновой без остатка, ни черной дыры, ни нейтронной звезды, но с определенной кривой блеска, которую мы можем наблюдать: усиление, пик и спад, характерные для всех сверхновых типа Ia.

Два наиболее успешных метода измерения больших космических расстояний основаны либо на их видимой яркости (L), либо на их видимом угловом размере (R), оба из которых можно наблюдать непосредственно. Если мы сможем понять внутренние физические свойства этих объектов, мы сможем использовать их либо как стандартные свечи (слева), либо как стандартные линейки (справа), чтобы определить, как расширялась Вселенная и, следовательно, из чего она состоит на протяжении своей космической истории.

Как сверхновые типа Ia открывают Вселенную

Итак, если у вас есть все эти разные взрывы, происходящие по всей Вселенной, где бы у вас ни были белые карлики - а это практически везде - что вы можете с ними сделать? Одним из ключевых моментов является признание того, что эти объекты относительно стандартны: что-то вроде космической версии 60-ваттной лампочки. Если вы знаете, что у вас есть лампочка мощностью 60 Вт, то вы знаете, насколько ярким и светящимся является этот источник света. Если вы можете измерить, насколько ярким кажется вам этот свет, то вы можете вычислить, применив немного математики, как далеко должна быть эта лампочка.

В астрономии у нас нет электрических лампочек, но эти сверхновые типа Ia выполняют ту же функцию: они являются примером того, что мы называем стандартными свечами. Мы знаем, насколько они ярки по своей природе, поэтому, когда мы измеряем их кривые блеска и видим, насколько яркими они кажутся (наряду с некоторыми другими характеристиками), мы можем рассчитать, как далеко они от нас.

Когда мы добавим пару других фрагментов информации, например:

насколько сильно свет этих сверхновых смещен в красную сторону,
и как красные смещения и расстояния связаны с различными формами энергии, которые существуют в контексте расширяющейся Вселенной,

мы можем использовать эти данные о сверхновых, чтобы узнать, что присутствует во Вселенной и как пространство расширилось за ее историю. С учетом 1550 отдельных сверхновых типа Ia, которые охватывают 10,7 миллиардов лет космической истории, последние результаты Pantheon+ являются праздником для любознательных.

На этом графике показаны 1550 сверхновых, которые являются частью анализа Pantheon+, построенные как функция звездной величины в зависимости от красного смещения. Все они соответствуют линии, предсказываемой нашей стандартной космологической моделью, причем даже сверхновые с наибольшим красным смещением и самые отдаленные сверхновые типа Ia придерживаются этого простого соотношения.

Как расширяется Вселенная?

Это вопрос, на который данные о сверхновых дают прямой ответ: с наименьшим количеством предположений и с минимальными ошибками, присущими их методам. Для каждой отдельной сверхновой, которую мы наблюдаем, мы:

измерьте свет,
выведите расстояние до объекта в контексте расширяющейся Вселенной,
также измерить красное смещение (часто через красное смещение к идентифицированной родительской галактике),
, а затем построить их все вместе.

Именно это и показывает приведенный выше график: соотношение между измеренной яркостью далеких сверхновых (по оси y) и измеренным красным смещением (по оси x) для каждой сверхновой.

Черная линия, которую вы видите, показывает результаты, которые вы ожидаете от наиболее подходящей космологической модели, предполагая, что в ней нет ничего смешного или подозрительного (т. е. что нет новой неопознанной физики). Между тем, верхняя панель показывает отдельные точки данных с планками погрешностей, наложенными поверх космологической модели, а нижняя панель просто «вычитает» наиболее подходящую линию и отображает отклонения от ожидаемого поведения.

Как видите, согласие между теорией и наблюдениями впечатляет. Вселенная расширяется полностью в соответствии с известными законами физики, и даже на самых больших расстояниях, показанных красными и фиолетовыми точками данных, нет заметных расхождений.

Совместные ограничения из анализа Pantheon+, наряду с данными барионных акустических колебаний (BAO) и космического микроволнового фона (Planck), на долю Вселенной, существующей в форме материи и в форме темной энергия или лямбда. Наша Вселенная состоит на 33,8% из материи и на 66,2% из темной энергии, насколько нам известно, с погрешностью всего 1,8%.

Из чего состоит Вселенная?

Теперь мы приступаем к самой интересной части: используя эти данные, чтобы выяснить, что происходит с космосом в самых больших масштабах. Вселенная состоит из множества различных типов частиц и полей, в том числе:

темная энергия, которая является своего рода энергией, присущей космической ткани,
темная материя, которая вызывает большую часть гравитационного притяжения во Вселенной,
обычная материя, включая звезды, планеты, газ, пыль, плазму, черные дыры и все остальное, состоящее из протонов, нейтронов и/или электронов,
нейтрино, которые представляют собой чрезвычайно легкие частицы с отличной от нуля массой покоя, но которые превосходят по численности частицы обычной материи примерно в миллиард к одному,
и фотоны, или частицы света, которые рождаются в ранние периоды горячего Большого Взрыва, а в более поздние - звезды, среди прочих источников.

Глядя на вышеприведенные данные о сверхновых только с Pantheon+, мы получаем цветные заштрихованные контуры. Однако, если мы также добавим информацию, которую мы можем получить, изучая крупномасштабную структуру Вселенной (обозначенную БАО выше) и оставшееся излучение Большого взрыва (обозначенное Планком выше), мы увидим, что существует только очень узкий диапазон значений, в котором все три набора данных перекрываются. Сопоставив их вместе, мы обнаружим, что Вселенная состоит примерно из:

66,2% темной энергии,
33,8% материи, как нормальной, так и темной вместе взятых,
и ничтожно малое количество всего остального,

с каждым компонентом, суммарно, с общей погрешностью ±1,8%, приписанной к нему. Это приводит нас к наиболее точному определению «Что есть в нашей Вселенной?» за все время.

Хотя есть много аспектов нашего космоса, с которыми согласны все наборы данных, скорость, с которой Вселенная расширяется, не является одним из них. Основываясь только на данных о сверхновых, мы можем сделать вывод о скорости расширения ~73 км/с/Мпк, но сверхновые не исследуют первые ~3 миллиарда лет нашей космической истории. Если мы включим данные космического микроволнового фона, излучаемого очень близко к Большому Взрыву, то на данный момент времени существуют непримиримые различия.

Как быстро расширяется Вселенная?

Говорил ли я, что самое интересное началось с выяснения того, из чего состоит Вселенная? Что ж, если вам было весело, то приготовьтесь, потому что следующий этап - сплошная ерунда. Если вы знаете, из чего состоит ваша Вселенная, то все, что вам нужно сделать, если вы хотите узнать, как быстро расширяется Вселенная, - это прочитать наклон линии, связывающей «расстояние» с «красным смещением» из вашего набора данных.

И вот где настоящая проблема.

Если вы отклонитесь только от данных о сверхновых, которые помечены здесь как «Пантеон+ и SH0ES», вы увидите, что вы получаете очень узкий диапазон допустимых значений, с пиком в 73 км/с/ Мпк, с очень небольшой погрешностью примерно ±1 км/с/Мпк
Но если вместо этого вы добавите остаточное свечение Большого взрыва, то есть данные космического микроволнового фона от Планка, вы получите контуры, помеченные как «Пантеон+ и Планк», пик которых находится на высоте около 67 км. /с/Мпк, опять же с небольшой погрешностью около ±1 км/с/Мпк.

Обратите внимание на невероятную взаимную согласованность между всеми наборами данных для всех приведенных выше графиков, которые не входят в первый столбец записей. Но для первого столбца у нас есть два разных набора информации, которые самосогласованны, но несовместимы друг с другом.

Хотя в настоящее время проводится много исследований природы этой головоломки, и одно потенциальное решение выглядит особенно привлекательным, это исследование убедительно показывает обоснованность этого несоответствия и невероятно высокое значение, при котором эти два набора данных противоречат друг другу.

Как подробно описано в последней статье, различные источники неопределенности, которые можно отнести к измерениям сверхновых типа Ia, относительно незначительны по сравнению со значением хаббловского натяжения и составляют менее 1/3 суммарные ошибки, связанные с измерениями космической лестницы расстояний. «Хаббловское напряжение» не является ошибкой измерения.

Может ли расхождение быть результатом какой-либо ошибки измерения?

Нет.

Отлично иметь возможность однозначно сказать: нет, эту разницу нельзя списать на какую-то ошибку в том, как мы измеряли эти вещи.

Это не может быть связано с неправильной калибровкой ближайших расстояний до ближайших сверхновых.
Это не может быть связано с соотношением тяжелых элементов звезд, используемых для калибровки расстояний до ближайших родительских галактик.
Это не может быть связано с изменением абсолютного масштаба сверхновых.
Это не может быть связано с неопределенностью отношения период-светимость для цефеид.
Или от цвета цефеид.
Или из-за эволюции взрывающихся белых карликов.
Или из-за эволюции окружающей среды, в которой находятся эти сверхновые звезды.
Или к систематическим ошибкам в измерениях.

На самом деле можно утверждать, что наиболее впечатляющим из всей «тяжелой работы», проделанной командой Pantheon+, являются удивительно крошечные ошибки и неопределенности, которые существуют, когда вы смотрите на данные. Приведенный выше график показывает, что сегодня вы можете изменить значение постоянной Хаббла, H_{0, не более чем на 0,1-0,2 км/с/Мпк для любого конкретный источник ошибок. Между тем расхождение между конкурирующими методами измерения расширяющейся Вселенной составляет где-то ~6.0 км/с/Мпк, что поразительно много для сравнения.}

Другими словами: нет. Это несоответствие реальное, а не какая-то еще неустановленная ошибка, и об этом можно сказать с большой уверенностью. Происходит что-то странное, и нам предстоит выяснить, что именно.

Последние ограничения из анализа Pantheon+, включающего 1550 сверхновых типа Ia, полностью согласуются с тем, что темная энергия является не чем иным, как «ванильной» космологической константой. Нет никаких доказательств в пользу его эволюции ни во времени, ни в пространстве.

Какова природа темной энергии?

Это еще одна вещь, связанная с измерением света от объектов по всей Вселенной: на разных расстояниях и с разными красными смещениями. Вы должны помнить, что всякий раз, когда далекий космический объект излучает свет, этот свет должен пройти через всю Вселенную - в то время как сама ткань пространства расширяется - от источника к наблюдателю. Чем дальше вы смотрите, тем дольше должен был пройти свет, а это значит, что в наблюдаемом вами свете закодирована большая часть истории расширения Вселенной.

Есть два предположения, которые мы можем сделать о темной энергии:

либо имеет одни и те же свойства везде, всегда и во всех местах,
или мы можем позволить этим свойствам изменяться, в том числе путем изменения силы темной энергии.

На двух приведенных выше графиках левый показывает, что мы узнаем, если предположим первый вариант, а правый показывает, что мы узнаем, если предположим второй. Как вы можете ясно видеть, хотя неопределенности довольно велики справа (и в меньшей степени слева), все прекрасно согласуется с самым скучным объяснением темной энергии: что это просто космологическая постоянная везде и всегда. (То есть, w=-1,0 точно, и что w_{a, появляющееся только на втором графике, точно равно 0.)}

Темная энергия - это скучно, и ничто в этих самых полных данных о сверхновых не указывает на обратное.

Различные возможные судьбы Вселенной, наша фактическая, ускоряющаяся судьба показана справа. По прошествии достаточного количества времени ускорение оставит каждую связанную галактическую или сверхгалактическую структуру полностью изолированной во Вселенной, поскольку все другие структуры безвозвратно ускоряются. Мы можем только заглянуть в прошлое, чтобы сделать вывод о присутствии и свойствах темной энергии, для чего требуется по крайней мере одна константа, но ее значение для будущего больше.

А как насчет альтернатив?

Было много «альтернативных интерпретаций» данных, выдвинутых различными учеными как вызов общепринятой интерпретации.

Некоторые утверждают, что, возможно, Вселенная имеет значительную кривизну, но для этого требуется более низкая постоянная Хаббла, чем допускает Pantheon+, так что это полностью исключено.

Другие утверждают, что хаббловское напряжение является просто артефактом плохо откалиброванных данных, но надежный анализ, представленный здесь Pantheon+, полностью показывает, что это неверно.

Третьи выдвинули гипотезу о том, что сама темная материя обладает силой, которая пропорциональна некоторой степени скорости материи и будет меняться со временем, устраняя необходимость в темной энергии. Но обширный диапазон набора данных Pantheon+, отбрасывающий нас назад к тому времени, когда возраст Вселенной составлял менее четверти ее нынешнего возраста, исключает это.

Дело в том, что все потенциальные объяснения «темной энергии не существует», например, возможно, сверхновые типа Ia значительно эволюционировали или что анализ сверхновых типа Ia просто недостаточно значим, теперь даже далее в неблагоприятном положении. В науке, когда данные и решающие, и категорически против вас, пора двигаться дальше.

Построение лестницы космических расстояний включает в себя переход от нашей Солнечной системы к звездам, к ближайшим галактикам и к далеким. Каждая «ступенька» несет в себе свои неопределенности, особенно те ступени, где соединяются разные «ступени» лестницы. Однако недавние улучшения в лестнице расстояний продемонстрировали, насколько надежны ее результаты., и А. Рисс (JHU))

И это подводит нас к сегодняшнему дню. Когда в 1998 году было объявлено об открытии ускоренного расширения Вселенной, оно базировалось всего на нескольких десятках сверхновых типа Ia. В 2001 году, когда были объявлены окончательные результаты ключевого проекта космического телескопа Хаббла, космологи были в восторге от того, что определили скорость, с которой Вселенная расширялась с точностью до ~10%. А в 2003 году, когда были получены первые результаты WMAP - предыдущей миссии Планка - было революционно измерять различные компоненты энергии во Вселенной с такой невероятной точностью.

Хотя с тех пор во многих аспектах космологии были достигнуты существенные успехи, нельзя преуменьшать важность взрыва высококачественных данных о сверхновых с большим красным смещением. Благодаря 1550 независимым сверхновым типа Ia анализ Pantheon+ дал нам более полную и достоверную картину нашей Вселенной, чем когда-либо прежде.

Мы состоим из 33,8% материи и 66,2% темной энергии. Мы расширяемся со скоростью 73 км/с/Мпк. Темная энергия полностью согласуется с космологической постоянной, и пространство для маневра становится довольно тесным для любых существенных отклонений. Единственные оставшиеся ошибки и неопределенности в нашем понимании сверхновых типа Ia теперь незначительны. И все же, что тревожно, данные не дают ответа на вопрос, почему разные методы измерения скорости расширения Вселенной дают противоречивые результаты. В нашем стремлении понять Вселенную мы разгадали множество космических тайн. Но неразгаданные тайны, которые у нас есть сегодня, несмотря на замечательные новые данные, остаются столь же загадочными, как и прежде.