Supernova-tutkimus osoittaa, että tumma energia voi olla monimutkaisempaa kuin luulimme

Supernova-tutkimus osoittaa, että tumma energia voi olla monimutkaisempaa kuin luulimme

Aikaleima: 12. tammikuuta 2024 10

Mistä universumi on tehty? Tämä kysymys on ajanut tähtitieteilijöitä satoja vuosia.

Viimeisen neljännesvuosisadan ajan tiedemiehet ovat uskoneet "normaaliin" asioihin, kuten atomeihin ja molekyyleihin, jotka muodostavat sinut, minä, maapallon ja lähes kaiken, mitä voimme nähdä, muodostaa vain 5 prosenttia maailmankaikkeudesta. Toinen 25 prosenttia on "pimeää ainetta", tuntematonta ainetta, jota emme näe, mutta jonka voimme havaita sen kautta, miten se vaikuttaa normaaliin aineeseen painovoiman avulla.

Loput 70 prosenttia kosmoksesta on valmistettu "pimeästä energiasta". Tämä vuonna 1998 löydetty tuntematon energiamuoto, jonka uskotaan saavan maailmankaikkeuden laajenemaan jatkuvasti kiihtyvällä nopeudella.

In uusi tutkimus, julkaistaan ​​pian Tähtitieteellinen lehti, kollegani ja minä olemme mitanneet pimeän energian ominaisuuksia yksityiskohtaisemmin kuin koskaan ennen. Tuloksemme osoittavat, että se voi olla hypoteettinen tyhjiöenergia, jonka Einstein ehdotti ensin – tai se voi olla jotain oudempaa ja monimutkaisempaa, joka muuttuu ajan myötä.

Mikä on tumma energia?

Kun Einstein kehitti yleisen suhteellisuusteorian yli sata vuotta sitten, hän tajusi, että hänen yhtälönsä osoittivat, että maailmankaikkeuden pitäisi joko laajentua tai kutistua. Tämä tuntui hänestä väärältä, joten hän lisäsi "kosmologisen vakion" - eräänlaisen tyhjään tilaan kuuluvan energian - tasapainottaakseen painovoimaa ja pitääkseen maailmankaikkeuden staattisena.

Myöhemmin, kun Henrietta Swan Leavittin ja Edwin Hubblen työ osoitti maailmankaikkeuden todellakin laajenevan, Einstein poisti kosmologisen vakion ja kutsui sitä "suurimmiksi virhekseen".

Kuitenkin vuonna 1998 kaksi tutkijaryhmää havaitsi, että maailmankaikkeuden laajeneminen todella kiihtyi. Tämä tarkoittaa, että jotain aivan samanlaista kuin Einsteinin kosmologinen vakio voi loppujen lopuksi olla olemassa - jotain, jota kutsumme nyt pimeäksi energiaksi.

Noista ensimmäisistä mittauksista lähtien olemme käyttäneet supernovoja ja muita luotajia mittaamaan niiden luonnetta tumma energia. Tähän asti nämä tulokset ovat osoittaneet, että pimeän energian tiheys universumissa näyttää olevan vakio.

Tämä tarkoittaa, että pimeän energian voimakkuus pysyy samana, vaikka maailmankaikkeus kasvaa – se ei näytä leviävän ohuemmiksi universumin kasvaessa. Mittaamme tämän numerolla nimeltä w. Einsteinin kosmologinen vaikutusvakio asetettu w arvoon -1, ja aikaisemmat havainnot ovat osoittaneet tämän olevan oikein.

Räjähtävät tähdet kosmisina mittapuikkoina

Miten mitataan, mitä maailmankaikkeudessa on ja kuinka nopeasti se kasvaa? Meillä ei ole valtavia mittanauhoja tai jättivaakoja, joten käytämme sen sijaan "vakiokynttilöitä": esineitä tila jonka kirkkauden tiedämme.

Kuvittele, että on yö ja seisot pitkän tien varrella, jossa on muutama valopylväs. Kaikissa näissä pylväissä on sama hehkulamppu, mutta kauempana olevat pylväät ovat himmeämpiä kuin lähellä olevat.

Pieni tähti irtoaa materiaalia paljon suuremmasta.
Tyypin Ia supernovassa valkoinen kääpiö vetää hitaasti massaa viereisestä tähdestä ennen räjähdystä. Kuvan luotto: NASA/JPL-Caltech, CC BY

Tämä johtuu siitä, että valo haalistuu suhteessa etäisyyteen. Jos tiedämme lampun tehon ja voimme mitata, kuinka kirkkaalta lamppu näyttää, voimme laskea etäisyyden valopylvääseen.

Tähtitieteilijöille tavallinen kosminen hehkulamppu on eräänlainen räjähtävä tähti, jota kutsutaan tyypin Ia supernovaksi. Nämä ovat valkoisia kääpiötähtiä, jotka usein imevät ainetta viereisestä tähdestä ja kasvavat, kunnes ne saavuttavat 1.44 kertaa aurinkomme massan, jolloin ne räjähtävät. Mittaamalla kuinka nopeasti räjähdys vaimenee, voimme määrittää, kuinka kirkas se oli ja kuinka kaukana meistä.

Dark Energy Survey

- Pimeän energian tutkimus on tähän mennessä suurin pyrkimys mitata pimeää energiaa. Yli 400 tiedemiestä eri mantereilla on työskennellyt yhdessä lähes vuosikymmenen ajan tarkkaillakseen toistuvasti osia etelästä taivasta.

Toistuvien havaintojen avulla voimme etsiä muutoksia, kuten uusia räjähtäviä tähtiä. Mitä useammin havainnoit, sitä paremmin voit mitata näitä muutoksia, ja mitä suuremmalta alueelta haet, sitä enemmän supernovoja löydät.

Kuva punaisella valaistusta observatoriorakennuksesta tähtitaivas taustalla.
Cerro Tololo Inter-American Observatory 4-metrinen teleskooppi, jota käytti Dark Energy Survey. Kuvan luotto: Reidar Hahn / Fermilab, CC BY

Ensimmäiset pimeän energian olemassaoloon viittaavat tulokset käyttivät vain parikymmentä supernovaa. Viimeisimmät Dark Energy Surveyn tulokset käyttävät noin 1,500 XNUMX räjähtävää tähteä, mikä antaa paljon paremman tarkkuuden.

Chilessä sijaitsevan Cerro-Tololon Inter-American Observatorion 4-metriseen Blanco-teleskooppiin asennetun erikoiskameran avulla tutkimuksessa löydettiin tuhansia erityyppisiä supernoveja. Selvittääksemme, mitkä olivat tyyppiä Ia (jotka tarvitsemme etäisyyksien mittaamiseen), käytimme 4-metristä Anglo Australian -teleskooppia Siding Springin observatoriossa Uudessa Etelä-Walesissa.

Anglo Australian Telescope teki mittauksia, jotka rikkoivat supernovien valon värit. Näin voimme nähdä "sormenjäljen" räjähdyksen yksittäisistä elementeistä.

Tyypin Ia supernovilla on joitain ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten ne eivät sisällä vetyä ja piitä. Ja kun supernoveja oli riittävästi, koneoppiminen antoi meille mahdollisuuden luokitella tuhansia supernovoja tehokkaasti.

Monimutkaisempi kuin kosmologinen vakio

Lopuksi, yli vuosikymmenen työn ja noin 1,500 XNUMX tyypin Ia supernovan tutkimisen jälkeen Dark Energy Survey on tuottanut uuden parhaan mittauksen w. Löysimme w = -0.80 ± 0.18, joten se on jossain -0.62 ja -0.98 välillä.

Tämä on erittäin mielenkiintoinen tulos. Se on lähellä -1, mutta ei aivan siellä. Ollakseen kosmologinen vakio eli tyhjän tilan energia, sen pitäisi olla täsmälleen –1.

Mihin tämä jättää meidät? Ajatuksena, että pimeän energian monimutkaisempi malli saattaa olla tarpeen, kenties sellainen, jossa tämä salaperäinen energia on muuttunut universumin elämän aikana.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuvan luotto: Tyypin Ia supernovan jäännökset – eräänlainen räjähtävä tähti, jota käytetään mittaamaan etäisyyksiä universumissa. NASA / CXC / U.Texas, CC BY

Aikaleima:

Lisää aiheesta Singulaarisuus Hub