انطباع فني عن نجمين قزم أبيض يندمجان ويخلقان مستعر أعظم من النوع Ia. الائتمان: ESO / L. كلكادا
إن تحليل أكثر من عقدين من انفجارات المستعرات الأعظمية يدعم بشكل مقنع النظريات الكونية الحديثة ويعيد تنشيط الجهود للإجابة على الأسئلة الأساسية.
أجرى علماء الفيزياء الفلكية تحليلًا جديدًا قويًا يضع أكثر الحدود دقة على الإطلاق لتكوين الكون وتطوره. مع هذا التحليل المسمى Panthéon + ، يجد علماء الكونيات أنفسهم على مفترق طرق.
يخلص بانثيون + بشكل مقنع إلى أن الكون يتكون من ثلثي الطاقة المظلمة وثلث المادة – معظمها في شكل مادة مظلمة – وينمو بمعدل متسارع على مدار المليار سنة الماضية. ومع ذلك ، يقوم Pantheon + أيضًا بإثبات خلاف كبير حول وتيرة هذا التوسع الذي لم يتم حله بعد.
من خلال وضع النظريات الكونية الحديثة المهيمنة ، والمعروفة باسم النموذج القياسي لعلم الكونيات ، على أساس إثباتي وإحصائي أقوى ، يغلق Pantheon + الباب أيضًا أمام الأطر البديلة مع الأخذ في الاعتبار الطاقة المظلمة و مادة سوداء. كلاهما أساس النموذج القياسي لعلم الكونيات ولكن لم يتم اكتشافهما بشكل مباشر بعد. هم من بين أكبر الألغاز في النموذج. باتباع نتائج Pantheon + ، يمكن للباحثين الآن إجراء اختبارات رصد أكثر دقة وصقل تفسيرات الكون الظاهري.
لقد خلفت فئة معينة من المستعر الأعظم تدعى النوع Ia مجموعة معينة من المستعرات الأعظمية G299. الائتمان: NASA / CXC / U.Texas
يقول ديلون بروت ، زميل أينشتاين في مركز الفيزياء الفلكية: “بهذه النتائج من Pantheon + ، نحن قادرون على فرض أكثر القيود دقة على ديناميكيات وتاريخ الكون حتى الآن”. هارفارد وسميثسونيان. “لقد قمنا بتمشيط البيانات ويمكننا الآن أن نقول بثقة أكبر من أي وقت مضى كيف تطور الكون على مر العصور وأن أفضل نظريات اليوم للطاقة المظلمة والمادة المظلمة تصمد.”
بروت هو المؤلف الرئيسي لسلسلة من المقالات التي تصف الجديد البانثيون + تحليلنشرت بالاشتراك في 19 أكتوبر في عدد خاص من مجلة الفيزياء الفلكية.
يستند Pantheon + إلى أكبر مجموعة بيانات من نوعها ، بما في ذلك أكثر من 1500 انفجار نجمي يُطلق عليها النوع Ia المستعرات الأعظمية. تحدث هذه الانفجارات المضيئة عندما[{” 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.
https://www.youtube.com/watch؟v=M40YlHSpt1E
كان الاكتشاف الرائد في عام 1998 للنمو المتسارع للكون من خلال دراسة المستعرات الأعظمية من النوع Ia بهذه الطريقة. يعزو العلماء التوسع إلى الطاقة غير المرئية ، وبالتالي يطلق عليها الطاقة المظلمة ، المتأصلة في نسيج الكون نفسه. استمرت العقود التالية من العمل في تجميع مجموعات بيانات أكبر من أي وقت مضى ، وكشفت عن المستعرات الأعظمية في نطاق أوسع من المكان والزمان ، وقد جمعها Pantheon + الآن معًا في أقوى تحليل إحصائي حتى الآن.
يقول آدم ريس ، أحد الفائزين بجائزة نوبل لعام 2011: “من نواحٍ عديدة ، يعد تحليل Pantheon + الأخير تتويجًا لأكثر من عقدين من الجهد الدؤوب من قبل المراقبين والمنظرين في جميع أنحاء العالم لفك شفرة جوهر الكون”. جائزة في الفيزياء لاكتشاف التوسع المتسارع للكون وأستاذ بلومبيرج المتميز في جامعة جونز هوبكنز (JHU) و معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور بولاية ماريلاند. ريس هو أيضًا خريج جامعة هارفارد وحاصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء الفلكية.
“من خلال مجموعة بيانات Pantheon + المدمجة هذه ، نحصل على رؤية دقيقة للكون منذ أن كانت تهيمن عليه المادة المظلمة إلى الوقت الذي أصبحت فيه الطاقة المظلمة تهيمن على الكون.” – ديلون بروت
تعود مسيرة بروت المهنية في علم الكونيات إلى سنوات دراسته الجامعية في جامعة جونز هوبكنز ، حيث تلقى تعليمه ونصحه من قبل ريس. هناك ، عمل بروت مع دان سكولنيك ، الذي كان وقتها طالب دكتوراه ومستشار ريس ، وهو الآن أستاذ مساعد للفيزياء في جامعة ديوك ومؤلف مشارك آخر في سلسلة الأوراق الجديدة.
منذ عدة سنوات ، طور سكولنيك تحليل البانتيون الأصلي لحوالي 1000 مستعر أعظم.
اليوم ، أضاف Brout و Scolnic وفريقهما الجديد Pantheon + نقاط بيانات مستعر أعظم بنسبة 50٪ تقريبًا إلى Pantheon + ، إلى جانب التحسينات في تقنيات التحليل وحل مصادر الخطأ المحتملة ، والتي حققت في النهاية ضعف دقة البانثيون الأصلي.
يقول بروت: “لم تكن هذه القفزة في جودة مجموعة البيانات وفي فهمنا للفيزياء الكامنة وراءها ممكنة بدون فريق متميز من الطلاب والمتعاونين الذين يعملون بجد لتحسين كل جانب من جوانب التحليل”.
بأخذ البيانات ككل ، يشير التحليل الجديد إلى أن 66.2٪ من الكون يتجلى على شكل طاقة مظلمة ، بينما 33.8٪ المتبقية عبارة عن مزيج من المادة والمادة المظلمة. للوصول إلى فهم أكثر اكتمالا للمكونات المكونة للكون في أوقات مختلفة ، قام Brout وزملاؤه بدمج Pantheon + مع قياسات أخرى مثبتة بقوة ومستقلة ومكملة للهيكل الواسع النطاق للكون ومع قياسات الضوء الأول في الكون ، الخلفية الكونية الميكروية.
“بفضل نتائج Pantheon + هذه ، نحن قادرون على فرض أكثر القيود دقة على ديناميكيات وتاريخ الكون حتى الآن.” – ديلون بروت
نتيجة رئيسية أخرى من Pantheon + تتعلق بأحد الأهداف الأساسية لعلم الكونيات الحديث: تحديد المعدل الحالي لتوسع الكون ، والمعروف باسم ثابت هابل. ينتج عن تجميع عينة Pantheon + مع بيانات من تعاون SH0ES (Supernova H0 لمعادلة الحالة) ، بقيادة ريس ، أقوى قياس محلي لمعدل التمدد الحالي للكون.
يجد آلانثيون + و SH0ES معًا ثابت هابل يبلغ 73.4 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ مع 1.3 ٪ فقط من عدم اليقين. بعبارة أخرى ، لكل ميجا فرسخ ، أو 3.26 مليون سنة ضوئية ، يقدر التحليل أنه في الكون القريب ، يتمدد الفضاء نفسه بأكثر من 160 ألف ميل في الساعة.
ومع ذلك ، فإن الملاحظات من وقت مختلف تمامًا في تاريخ الكون تتنبأ بقصة مختلفة. تقوم قياسات الضوء الأول للكون ، الخلفية الكونية الميكروية ، عند دمجها مع النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات ، بتثبيت ثابت هابل بمعدل أقل بكثير من الملاحظات المأخوذة عبر المستعرات الأعظمية من النوع Ia وغيرها من العلامات الفيزيائية الفلكية. هذا التناقض الهائل بين المنهجيتين يسمى توتر هابل.
تعمل مجموعات بيانات Pantheon + و SH0ES الجديدة على زيادة توتر هابل. في الواقع ، لقد تجاوز الجهد الآن عتبة 5 سيجما المهمة (احتمال حدوث واحد في المليون بسبب الصدفة) التي يستخدمها الفيزيائيون للتمييز بين الصدفة الإحصائية المحتملة والشيء الذي يجب فهمه بالتالي. يسلط الوصول إلى هذا المستوى الإحصائي الجديد الضوء على التحدي الذي يواجه المنظرين وعلماء الفيزياء الفلكية الذين يحاولون تفسير فجوة هابل المستمرة.
“اعتقدنا أنه سيكون من الممكن العثور على أدلة لحل جديد لهذه المشكلات في مجموعة البيانات الخاصة بنا ، ولكن بدلاً من ذلك وجدنا أن بياناتنا تستبعد العديد من هذه الخيارات وأن الاختلافات العميقة تظل عنيدة بنفس القدر من أي وقت مضى” ، كما يقول Brout . .
يمكن أن تساعد نتائج Pantheon + في الإشارة إلى مكان حل توتر هابل. يقول بروت: “بدأت العديد من النظريات الحديثة تشير إلى فيزياء جديدة غريبة في بدايات الكون ، ومع ذلك ، فإن مثل هذه النظريات التي لم يتم التحقق منها يجب أن تصمد أمام العملية العلمية ، ولا تزال سلالة هابل تشكل تحديًا كبيرًا”.
بشكل عام ، يقدم Pantheon + للعلماء نظرة شاملة على الكثير من التاريخ الكوني. تتألق المستعرات الأعظمية الأقدم والأبعد في مجموعة البيانات على مسافة 10.7 مليار سنة ضوئية ، أي منذ أن كان عمر الكون حوالي ربع عمره الحالي. في ذلك الوقت المبكر ، كانت المادة المظلمة والجاذبية المرتبطة بها تتحكم في معدل تمدد الكون. لقد تغيرت مثل هذه الحالة بشكل كبير على مدى مليارات السنين التي تلت ذلك ، حيث تجاوز تأثير الطاقة المظلمة تأثير المادة المظلمة. منذ ذلك الحين ، أدت الطاقة المظلمة إلى تشتيت محتويات الكون أكثر فأكثر وبوتيرة متزايدة.
يقول بروت: “مع مجموعة بيانات Pantheon + المدمجة هذه ، نحصل على رؤية دقيقة للكون منذ أن كانت تهيمن عليه المادة المظلمة إلى الوقت الذي أصبحت فيه الطاقة المظلمة هي المسيطرة على الكون”. “تعد مجموعة البيانات هذه فرصة فريدة لرؤية تنشيط الطاقة المظلمة ودفع تطور الكون على نطاقات أكبر حتى الوقت الحاضر.”
نأمل أن تؤدي دراسة هذا التحول الآن بأدلة إحصائية أقوى إلى رؤى جديدة للطبيعة المبهمة للطاقة المظلمة.
يقول بروت: “يمنحنا Pantheon + أفضل فرصة لنا حتى الآن لتقييد الطاقة المظلمة ، وأصولها وتطورها”.
المرجع: “البانثيون + التحليل: القيود الكونية” بقلم ديلون بروت ، دان سكولنيك ، برودي بوبوفيتش ، آدم جي ريس ، أنتوني كار ، جو زونتز ، ريك كيسلر ، تمارا إم ديفيز ، صامويل هينتون ، ديفيد جونز ، دبليو دارسي كينورثي ، إريك ر. بيترسون ، خالد سعيد ، جورجي تايلور ، نور علي ، باتريك أرمسترونج ، براناف شارفو ، أريانا دوموه ، كول موللدورف ، أنتونيلا بالميز ، هيلين كو ، بنيامين إم روز ، برونو سانشيز ، كريستوفر دبليو ستابس ، ماريا فينتشنزي ، شارلوت إم وود ، بيتر ج.براون ، ريبيكا تشين ، كين تشامبرز ، ديفيد إيه كولتر ، مي داي ، جورجيوس ديميترياديس ، أليكسي ف.فيليبينكو ، ريان جيه فولي ، سوراب جها ، ليزا كيلسي ، روبرت بي كيرشنر ، أنيس مولر ، جيسي موير ، سيشادري نادثور ، ين تشين بان ، أرمين ريست ، سيزار روجاس برافو ، ماساو ساكو ، ماثيو آر سيبرت ، مات سميث ، بنيامين إي ستال وفيل وايزمان ، 19 أكتوبر 2022 ، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / ac8e04
