Если наши «стандартные свечи» не такие стандартные, темная энергия все еще реальна?
“Некоторые говорят, что конец света сгорит в огне, Некоторые говорят во льду.
Из того, что я вкусил от желания
Я поддерживаю тех, кто любит огонь.
Но если бы он погиб дважды, Думаю, я достаточно знаю о ненависти
Сказать, что для разрушения льда
Это также здорово
И хватит. - Роберт Фрост
Время от времени происходят потрясающие открытия, которые навсегда меняют наш взгляд на Вселенную. Еще в конце 1990-х годов наблюдения далеких сверхновых ясно показали, что Вселенная не только расширяется, но и что далекие галактики на самом деле ускоряются, удаляясь от нас, - открытие, достойное Нобелевской премии, которое рассказало нам о судьбе нашей планеты. Вселенная. Но среди ваших вопросов и предложений на этой неделе был один от Жоао Карлоса, который указал на новое исследование и спросил:
Я прочитал это на Eurekalert! и думал, что вы должны, тоже. Мне не терпится увидеть [ваши] ваши комментарии по этому поводу.
Это «это» было взято из пресс-релиза Аризонского университета - «место, где я был постдоком всего несколько лет назад» - «в котором говорилось следующее:
Это потенциально очень, очень большое дело для нашего понимания всего, что существует, и того, как закончится наша Вселенная. Давайте вернемся почти на 100 лет назад к уроку, который мы должны были усвоить, а затем вернемся к сегодняшнему дню, чтобы понять, почему.
В 1923 году Эдвин Хаббл наблюдал за этими неясными, слабыми «спиральными туманностями» в небе, изучал встречающиеся в них новые звезды и пытался дополнить наши знания об этих объектах. Некоторые люди утверждали, что они были протозвездами в пределах Млечного Пути, в то время как другие считали их островными Вселенными, находящимися в миллионах световых лет за пределами нашей галактики, состоящими из миллиардов звезд каждая.
Во время наблюдения за большой туманностью в Андромеде 6 октября того же года он увидел, как вспыхнула новая, затем вторая, а затем третья. И тут случилось нечто беспрецедентное: четвертая новая взорвалась в том же месте, что и первая..
Новые иногда повторяются, но обычно для этого им требуются сотни или тысячи лет, поскольку они возникают только тогда, когда на поверхности коллапсирующей звезды накапливается достаточно топлива для воспламенения. Из всех новых, которые мы когда-либо открывали, даже самым быстро восполняющим требуется много лет, чтобы снова вспыхнуть. Идея, которую можно было бы повторить всего за несколько часов? Абсурд.
Но было кое-что, о чем мы знали, что оно может превратиться из очень яркого в тусклое снова яркое всего за несколько часов: переменная звезда! (Отсюда его вычеркивание «N» вместо nova и взволнованное написание «VAR!»)
Невероятная работа Генриетты Ливитт научила нас тому, что некоторые звезды во Вселенной - переменные звезды-цефеиды - становятся ярче и тусклее с определенным периодом, и этот период связан с их собственной яркостью. Это важно, потому что это означает, что если вы измеряете период (что легко сделать), то вы знаете внутреннюю яркость того, что измеряете. А поскольку вы можете легко измерить кажущуюся яркость, вы можете сразу узнать, как далеко находится этот объект, потому что зависимость яркость/расстояние известна нам уже сотни лет!
Теперь Хаббл использовал это знание переменных звезд и тот факт, что мы можем найти их в этих спиральных туманностях (теперь известных как галактики), чтобы измерить их расстояния от нас. Затем он объединил их известное красное смещение с этими расстояниями, чтобы вывести закон Хаббла и вычислить скорость расширения Вселенной.
Замечательно, правда? Но, к сожалению, мы часто умалчиваем об этом открытии: выводы Хаббла о том, какой на самом деле была эта скорость расширения, были совершенно неверными!
Проблема, видите ли, заключалась в том, что переменные звезды-цефеиды, которые Хаббл измерил в этих галактиках, по своей природе отличались от цефеид, которые Генриетта Ливитт прикинул. Как оказалось, цефеиды делятся на два разных класса, чего Хаббл в то время не знал. Хотя закон Хаббла все еще оставался в силе, его первоначальные оценки расстояний были слишком занижены, и поэтому его оценки скорости расширения Вселенной были слишком высокими. Со временем мы поняли это правильно, и хотя общие выводы - о том, что Вселенная расширяется и что эти спиральные туманности были галактиками далеко за пределами нашей , не изменились, детали расширения определенно изменились!
А теперь мы подошли к сегодняшнему дню.
Гораздо ярче цефеид, сверхновые часто могут затмить - хотя и ненадолго - всю галактику, в которой они находятся! Вместо миллионов световых лет их можно увидеть при правильных обстоятельствах на расстоянии более десяти миллиардов световых лет, что позволяет нам исследовать Вселенную все дальше и дальше. Кроме того, особый тип сверхновых, сверхновые типа Ia, возникает в результате неконтролируемой термоядерной реакции, происходящей внутри белого карлика.
Когда происходят эти реакции, вся звезда разрушается, но, что более важно, кривая блеска сверхновой, или то, как она становится ярче, а затем тускнеет со временем, хорошо известна и обладает некоторыми универсальными свойствами..
К концу 1990-х годов было собрано достаточно данных о сверхновых на достаточно больших расстояниях, чтобы две независимые группы - Группа поиска сверхновых High-z и Проект космологии сверхновых - объявили, что на основе этих данных Расширение Вселенной ускорялось, и что во Вселенной господствовала какая-то форма темной энергии.
Как и многие люди, я скептически относился к этому, как будто сверхновые не были так хорошо изучены, как мы думали, все эти выводы исчезли бы.
Во-первых, существовало два разных метода возникновения сверхновых: в результате аккреции вещества от звезды-компаньона (слева) и от слияния с другим белым карликом (справа). Приведут ли они оба к одному и тому же типу сверхновой?
Во-вторых, эти сверхновые на больших расстояниях могли возникать в условиях, сильно отличающихся от тех, которые мы видим сегодня вблизи. Уверены ли мы, что кривые блеска, которые мы видим сегодня, отражают кривые блеска на больших расстояниях?
Во-вторых, возможно, что-то произошло с этим светом во время его невероятного путешествия с больших расстояний до наших глаз. Мы уверены, что здесь не работает какой-то новый тип пыли или какое-то другое свойство затемнения света (например, фотонно-аксионные колебания)?
Как оказалось, все эти проблемы можно было решить и исключить; эти вещи не являются проблемами. Но недавно и в чем заключается вопрос Жоао Карлоса мы обнаружили, что эти так называемые "стандартные свечи" могут быть не такими уж стандартными. Точно так же, как цефеиды бывают разных видов, сверхновые типа Ia тоже бывают разных видов.
Представьте, что у вас есть коробка со свечами, которые, по вашему мнению, все идентичны друг другу: вы можете зажечь их, поставить на разное расстояние и сразу же, просто измерив видимую яркость, узнать как далеко они находятся. Это идея стандартной свечи в астрономии, и почему сверхновые типа Ia такие мощные.
А теперь представьте, что пламя этих свечей разной яркости! Внезапно некоторые становятся немного ярче, а некоторые чуть тусклее; у вас есть два класса свечей, и хотя у вас может быть больше ярких свечей рядом, у вас может быть больше тусклых далеко.
Это то, что, как мы думаем, мы только что обнаружили со сверхновыми: на самом деле есть два отдельных их класса, где один немного ярче в синем/УФ-диапазоне, а другой немного ярче в красном/ИК-диапазоне., и кривые блеска, которым они следуют, немного отличаются. Это может означать, что при больших красных смещениях (больших расстояниях) сами сверхновые на самом деле слабее, а не то, что они находятся дальше.
Другими словами, сделанный нами вывод - о том, что Вселенная ускоряется - , может быть основан на неправильной интерпретации данных!
Если мы неправильно определили расстояния для этих сверхновых, возможно, мы ошиблись и в отношении темной энергии! По крайней мере, это было бы большим беспокойством. Меньшее беспокойство будет заключаться в том, что темная энергия все еще реальна, но ее может быть меньше, чем мы думали ранее.
Так какие из этих опасений обоснованы? Как оказалось, только маленький, а не большой! Видите ли, в 1998 году у нас были только данные о сверхновых, указывающие на темную энергию. Но с течением времени мы получили два других доказательства, которые были столь же убедительными.
1.) Космический микроволновый фон Флуктуации остаточного свечения от Большого взрыва - , измеренные WMAP и позже, до Более высокая точность, Планк - убедительно указал, что Вселенная состоит примерно из 5% нормальной материи, 27% темной материи и примерно 68% темной энергии. Хотя микроволновый фон сам по себе не очень хорошо говорит вам, каковы свойства этой темной энергии, он говорит вам, что около 2/3 энергии Вселенной находится в некомковатой и массивной форме..
Какое-то время это действительно было проблемой, так как одни только сверхновые звезды указывали на то, что около 3/4 энергии Вселенной приходится на темную энергию, так что вполне возможно, что эти новые откровения о сверхновых могли бы помочь выровнять данные. лучше.
2.) Способ группирования галактик В ранней Вселенной темная материя и нормальная материя - и как они группируются -не взаимодействуют с излучением - регулируют то, как сегодня галактики группируются во Вселенной. Если вы видите галактику где-нибудь во Вселенной, то есть такое странное свойство, что у вас больше шансов иметь другую галактику на расстоянии около 500 миллионов световых лет от нее, чем на расстоянии 400 или 600 миллионов световых лет. Это происходит из-за явления, известного как барионные акустические колебания (БАО), и потому, что нормальная материя выталкивается излучением, а темная материя - нет.
Дело в том, что Вселенная постоянно расширяется за счет всего, что в ней есть, включая темную энергию. Так что по мере расширения Вселенной предпочтительный масштаб в 500 миллионов световых лет меняется. Вместо «стандартной свечи» BAO позволяет нам иметь «стандартную линейку», которую мы также можем использовать для измерения темной энергии.
Как оказалось, измерения с помощью BAO в настоящее время так же хороши, как и измерения со сверхновых, и, кажется, дают те же результаты: Вселенная примерно на 70% состоит из темной энергии и согласуется с космологическая постоянная, а не доменные стенки, космические струны или многие другие экзотические типы.
На самом деле, если мы объединим все три набора данных, мы обнаружим, что все они указывают примерно на одну и ту же картину.
Из этого мы узнали, что количество темной энергии и тип темной энергии, которые мы выводим из сверхновых, могут незначительно и незаметно изменяться, и это может быть полезно для получения три метода - сверхновые, реликтовое излучение и BAO - в лучшее выравнивание. Это один из тех великих моментов в науке, когда одно неверное предположение не заставляет нас отбрасывать все наши результаты и выводы, а помогает нам более точно понять явление, которое озадачивало нас с тех пор, как мы впервые его обнаружили.
Темная энергия реальна, и благодаря этому новому открытию мы можем понять ее - и ее влияние на Вселенную - лучше, чем когда-либо прежде. Спасибо, Жоао Карлос, за возможность сделать такое интересное открытие, и если у вас есть вопрос или предложение для следующего Спросите Итана, присылайте его сюда!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!