Le esplosioni di supernova rivelano dettagli minuziosi sull’energia oscura e sulla materia oscura

Un’impressione artistica di due stelle nane bianche che si uniscono e creano una supernova di tipo Ia. Credito: ESO/L. Calsada

L’analisi delle esplosioni di supernova che durano da più di due decenni rafforza in modo convincente le moderne teorie cosmologiche e rivitalizza gli sforzi per rispondere a domande fondamentali.

Gli astrofisici hanno condotto una nuova potente analisi che pone i limiti più precisi mai visti alla formazione e all’evoluzione dell’universo. Con questa analisi, alias Pantheon+, i cosmologi si trovano a un bivio.

Pantheon+ sostiene in modo convincente che l’universo è composto da circa due terzi di energia oscura e un terzo di materia – per lo più sotto forma di materia oscura – e si è espanso a un ritmo accelerato negli ultimi miliardi di anni. Tuttavia, Pantheon+ consolida anche un’importante controversia sul ritmo di questa espansione irrisolta.

Ponendo le teorie cosmologiche moderne dominanti, note come Modello Standard della cosmologia, su basi probatorie e statistiche più solide, Pantheon+ chiude anche la porta a strutture alternative che spiegano energia oscura E il materia oscura. Entrambi sono pietre miliari del Modello Standard della cosmologia, ma non sono stati ancora scoperti direttamente. Sono tra i più grandi puzzle del modello. In seguito ai risultati del Pantheon+, i ricercatori possono ora eseguire test di osservazione più accurati e perfezionare le spiegazioni per l’universo apparente.

G299 è stato lasciato indietro da una particolare classe di supernovae chiamata Tipo Ia. Credito: NASA/CXC/U.Texas

“Con questi risultati del Pantheon+, possiamo porre i vincoli più precisi alla dinamica e alla storia dell’universo fino ad oggi”, afferma Dillon Prout, Einstein’s Fellow presso il Center for Astrophysics. Harvard e Smithsonian. “Abbiamo esaminato i dati e ora possiamo dire con più sicurezza che mai come l’universo si è evoluto nel corso dei secoli e che le attuali migliori teorie sull’energia oscura e sulla materia oscura sono potenti”.

Pruitt è l’autore principale di una serie di articoli che descrivono il nuovo Pantheon + Analisiè stato pubblicato congiuntamente il 19 ottobre in un numero speciale di Giornale astrofisico.

Pantheon+ si basa sul più grande set di dati del suo genere, con oltre 1.500 esplosioni stellari chiamate supernove di tipo Ia. Queste esplosioni luminose si verificano quando[{” 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.

La scoperta rivoluzionaria della crescita accelerata dell’universo nel 1998 è stata grazie allo studio delle supernove di tipo Ia in questo modo. Gli scienziati attribuiscono questa espansione all’energia invisibile, e quindi si chiama energia oscura, che è inerente al tessuto dell’universo stesso. I successivi decenni di lavoro hanno continuato ad assemblare set di dati sempre più grandi, rivelando supernove in un intervallo più ampio di spazio e tempo, e Pantheon+ li ha ora riuniti nell’analisi statistica più potente mai realizzata.

Dice Adam Rees, uno dei vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2011 per aver scoperto l’espansione accelerata dell’universo e Bloomberg Distinguished Professor of Università John Hopkins (JHU) e Istituto di scienze del telescopio spaziale a Baltimora, nel Maryland. Reese è anche laureato ad Harvard e ha conseguito un dottorato di ricerca in astrofisica.

La carriera di Pruitt in cosmologia risale ai suoi anni universitari alla Johns Hopkins University, dove è stato istruito e consigliato da Reese. Lì Pruitt ha lavorato con Dan Skolnick, allora dottorando e consulente di Reiss, che ora è assistente professore di fisica alla Duke University e un altro coautore della nuova serie di articoli.

Diversi anni fa, Skolnik ha sviluppato l’analisi originale del pantheon di circa 1.000 supernove.

Ora, Brout, Scolnic e il loro nuovo team hanno aggiunto al Pantheon+ circa il 50% in più di punti dati di supernova, insieme a miglioramenti nelle tecniche di analisi e nella gestione di potenziali fonti di errore, che alla fine hanno portato a una scarsa precisione del Pantheon originale.

“Questo salto nella qualità del set di dati e nella nostra comprensione della fisica che ne è alla base non sarebbe stato possibile senza un eccellente team di studenti e collaboratori che lavorava duramente per migliorare ogni aspetto dell’analisi”, afferma Pruitt.

Osservando i dati nel loro insieme, la nuova analisi vede il 66,2% dell’universo apparire come energia oscura, mentre il restante 33,8% è una miscela di materia e materia oscura. Per ottenere una comprensione più completa dei componenti costitutivi dell’universo in epoche diverse, Brout e colleghi hanno combinato il Pantheon+ con altre scale fortemente collaudate, indipendenti e complementari alla struttura su larga scala dell’universo e con misurazioni dalla luce più vicina dell’universo, il Sfondo cosmico a microonde.

Un altro importante risultato del Pantheon+ riguarda uno degli obiettivi principali della cosmologia moderna: determinare l’attuale tasso di espansione dell’universo, noto come costante di Hubble. L’assemblaggio del campione Pantheon+ con i dati di SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), guidato da Reese, si traduce nella misurazione locale più rigorosa dell’attuale tasso di espansione dell’universo.

Allanthion+ e SH0ES insieme trovano la costante di Hubble di 73,4 chilometri al secondo per megaparsec con solo l’1,3% di incertezza. In altre parole, per ogni megaparsec, o 3,26 milioni di anni luce, l’analisi stima che nell’universo vicino, lo spazio stesso si sta espandendo a più di 160.000 miglia orarie.

Tuttavia, le osservazioni di un’era completamente diversa nella storia dell’universo predicono una storia diversa. Le misurazioni della luce più antica dell’universo, il fondo cosmico a microonde, quando combinate con l’attuale Modello standard della cosmologia, corroborano costantemente la costante di Hubble a una velocità molto inferiore rispetto alle osservazioni effettuate tramite supernove di tipo Ia e altri marcatori astrofisici. Questa grande discrepanza tra le due metodologie è chiamata tensione di Hubble.

I nuovi set di dati Pantheon+ e SH0ES amplificano la tensione di Hubble. In effetti, la tensione ha ora superato l’importante soglia di 5 sigma (la probabilità che uno su un milione si verifichi a causa del caso casuale) che i fisici usano per distinguere tra possibile caso statistico e qualcosa per capire di conseguenza. Il raggiungimento di questo nuovo livello statistico evidenzia la sfida che sia i teorici che gli astrofisici devono affrontare nel tentativo di spiegare l’incoerenza della costante di Hubble.

“Pensavamo che sarebbe stato possibile trovare prove per una nuova soluzione a questi problemi nel nostro set di dati, ma invece abbiamo scoperto che i nostri dati escludono molte di queste opzioni e che profonde discrepanze rimangono intrattabili come sempre”, afferma Brout.

I risultati del Pantheon+ possono aiutare a indicare dove si risolve la tensione di Hubble. “Molte teorie moderne stanno iniziando a indicare una strana nuova fisica nell’universo primordiale, tuttavia, tali teorie non verificate devono resistere al processo scientifico e la tensione di Hubble rimane una sfida enorme”, afferma Pruitt.

Nel complesso, Pantheon+ offre agli scienziati uno sguardo completo indietro attraverso gran parte della storia cosmica. La supernova più antica e distante nel set di dati brilla da 10,7 miliardi di anni luce di distanza, poiché l’universo aveva circa un quarto della sua età attuale. In quell’era precedente, la materia oscura e la gravità ad essa associata controllavano il tasso di espansione dell’universo. Tale situazione è cambiata radicalmente nei successivi miliardi di anni, poiché l’influenza dell’energia oscura ha oscurato l’effetto della materia oscura. Da allora, l’energia oscura ha separato i contenuti dell’universo e ad un ritmo sempre crescente.

“Con questo set di dati combinato Pantheon+, otteniamo una visione accurata dell’universo da un’epoca in cui la materia oscura era dominata dall’energia oscura”, afferma Pruitt. “Questo set di dati è un’opportunità unica per vedere l’energia oscura al lavoro e guidare l’evoluzione dell’universo ai massimi livelli nel tempo presente”.

Ci auguriamo che lo studio di questo cambiamento ora con prove statistiche più forti porti a nuove intuizioni sulla natura della misteriosa energia oscura.

“Il Pantheon+ ci offre la nostra migliore opportunità ancora per limitare l’energia oscura, le sue origini e la sua evoluzione”, afferma Pruitt.

Riferimento: “Pantheon + Analysis: Cosmic Constraints” di 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, Eric R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Scharvaux, Ariana Dumoh, Cole Mulldorf, Antonella Palmes, Helen Coe, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, Primo Maggio, Georgios Demetriadis, Alexei F. Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor, Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl e Phil Wiseman, 19 ottobre 2022, Giornale astrofisico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04