Un análisis de más de dos décadas de explosiones de supernovas refuerza de manera convincente las teorías cosmológicas modernas y revitaliza los esfuerzos para responder preguntas fundamentales.

Los astrofísicos han realizado un nuevo y poderoso análisis que establece los límites más precisos jamás conocidos sobre la composición y evolución del universo. Con este análisis, denominado Panthéon+, los cosmólogos se encuentran en una encrucijada.

Pantheon+ concluye de manera convincente que el cosmos es aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia, principalmente en forma de materia oscura, y está creciendo a un ritmo acelerado en los últimos mil millones de años. Sin embargo, Pantheon+ también consolida un gran desacuerdo sobre el ritmo de esta expansión que aún no se ha resuelto.

Al colocar las principales teorías cosmológicas modernas, conocidas como el modelo estándar de cosmología, sobre una base evidencial y estadística aún más sólida, Pantheon+ cierra aún más la puerta a marcos alternativos que representan energía oscura y materia negra. Ambos son los cimientos del modelo estándar de cosmología pero aún no han sido detectados directamente. Se encuentran entre los mayores misterios del modelo. Tras los resultados de Pantheon+, los investigadores ahora pueden realizar pruebas de observación más precisas y refinar las explicaciones del cosmos aparente.

G299 fue dejado atrás por una clase particular de supernova llamada Tipo Ia. Crédito: NASA/CXC/U.Texas

«Con estos resultados de Pantheon+, podemos imponer las restricciones más precisas sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha», dice Dillon Brout, miembro de Einstein en el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. «Hemos revisado los datos y ahora podemos decir con más confianza que nunca cómo ha evolucionado el universo a lo largo de los eones y que las mejores teorías actuales sobre energía oscura y materia oscura se mantienen».

Brout es el autor principal de una serie de artículos que describen la nueva Análisis de Panteón+publicado conjuntamente el 19 de octubre en un número especial de El diario astrofísico.

Pantheon+ se basa en el conjunto de datos más grande de su tipo, que incluye más de 1500 explosiones estelares llamadas supernovas de tipo Ia. Estas explosiones luminosas se producen cuando[{» 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.

El descubrimiento innovador en 1998 del crecimiento acelerado del universo fue a través de un estudio de supernovas de Tipo Ia de esta manera. Los científicos atribuyen la expansión a la energía invisible, por lo tanto denominada energía oscura, inherente a la estructura del universo mismo. Les décennies de travail suivantes ont continué à compiler des ensembles de données toujours plus volumineux, révélant des supernovae dans une gamme encore plus large d’espace et de temps, et Pantheon + les a maintenant réunies dans l’analyse la plus robuste statistiquement à ce día.

“En muchos sentidos, este último análisis de Pantheon+ es la culminación de más de dos décadas de esfuerzos diligentes por parte de observadores y teóricos de todo el mundo para descifrar la esencia del cosmos”, dice Adam Riess, uno de los ganadores del premio Nobel de 2011. Premio de Física por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo y Profesor Distinguido Bloomberg en Universidad Johns Hopkins (JHU) y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. Riess también es alumno de la Universidad de Harvard, con un doctorado en astrofísica.

La propia carrera de Brout en cosmología se remonta a sus años de estudiante en JHU, donde Riess le enseñó y aconsejó. Allí, Brout trabajó con Dan Scolnic, entonces estudiante de doctorado y asesor de Riess, quien ahora es profesor asistente de física en la Universidad de Duke y otro coautor de la nueva serie de artículos.

Hace varios años, Scolnic desarrolló el análisis Pantheon original de unas 1.000 supernovas.

Hoy, Brout y Scolnic y su nuevo equipo Pantheon+ han agregado aproximadamente un 50 % más de puntos de datos de supernova a Pantheon+, junto con mejoras en las técnicas de análisis y resolución de posibles fuentes de error, lo que finalmente ha logrado el doble de precisión que el Pantheon original.

«Este salto en la calidad del conjunto de datos y en nuestra comprensión de la física detrás de él no hubiera sido posible sin un equipo destacado de estudiantes y colaboradores que trabajaron diligentemente para mejorar cada faceta del análisis», dice Brout.

Tomando los datos en su conjunto, el nuevo análisis indica que el 66,2% del universo se manifiesta como energía oscura, siendo el 33,8% restante una combinación de materia oscura y materia. Para llegar a una comprensión aún más completa de los componentes constituyentes del universo en diferentes momentos, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras mediciones complementarias, independientes y fuertemente demostradas de la estructura a gran escala del universo y con mediciones de la primera luz en el universo, el fondo cósmico de microondas.

Otro resultado clave de Pantheon+ se relaciona con uno de los principales objetivos de la cosmología moderna: determinar la tasa actual de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble. La combinación de la muestra Pantheon+ con datos de la colaboración SH0ES (Supernova H0 para la ecuación de estado), dirigida por Riess, da como resultado la medición local más ajustada de la tasa de expansión actual del universo.

Pantheon+ y SH0ES juntos encuentran una constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con solo un 1,3 % de incertidumbre. En otras palabras, por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que en el universo cercano, el espacio mismo se expande a más de 160 000 millas por hora.

Sin embargo, las observaciones de un tiempo completamente diferente en la historia del universo predicen una historia diferente. Las mediciones de la primera luz del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combinan con el modelo estándar actual de cosmología, fijan consistentemente la constante de Hubble a una tasa significativamente más baja que las observaciones tomadas a través de supernovas del tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta enorme discrepancia entre las dos metodologías se ha denominado tensión de Hubble.

Los nuevos conjuntos de datos Pantheon+ y SH0ES aumentan esta tensión del Hubble. De hecho, el voltaje ahora ha superado el importante umbral de 5 sigma (alrededor de una posibilidad en un millón de que ocurra debido al azar) que los físicos usan para distinguir entre un posible azar estadístico y algo que, por lo tanto, debe entenderse. Alcanzar este nuevo nivel estadístico destaca el desafío para los teóricos y astrofísicos que intentan explicar la brecha constante de Hubble.

«Pensamos que sería posible encontrar pistas para una nueva solución a estos problemas en nuestro conjunto de datos, pero en cambio descubrimos que nuestros datos descartan muchas de estas opciones y que las divergencias profundas siguen siendo tan obstinadas como nunca», dice Brout. . .

Los resultados de Pantheon+ podrían ayudar a señalar dónde se encuentra la solución a la tensión del Hubble. «Muchas teorías recientes han comenzado a apuntar a una nueva física exótica en el universo muy primitivo, sin embargo, tales teorías no verificadas deben resistir el proceso científico y la tensión del Hubble sigue siendo un gran desafío», dice Brout.

En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una visión integral de gran parte de la historia cósmica. Las supernovas más antiguas y distantes del conjunto de datos brillan a 10.700 millones de años luz de distancia, que es de cuando el universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual. . En ese tiempo anterior, la materia oscura y su gravedad asociada controlaban la tasa de expansión del universo. Tal estado de cosas ha cambiado dramáticamente durante los siguientes miles de millones de años, ya que la influencia de la energía oscura ha superado a la de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha dispersado el contenido del cosmos cada vez más y a un ritmo cada vez mayor.

«Con este conjunto de datos combinado de Pantheon+, obtenemos una visión precisa del universo desde que estaba dominado por la materia oscura hasta que el universo quedó dominado por la energía oscura», dice Brout. . «Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver cómo se activa la energía oscura e impulsar la evolución del cosmos en escalas más grandes hasta el presente».

Es de esperar que estudiar este cambio ahora con evidencia estadística aún más sólida conduzca a nuevos conocimientos sobre la naturaleza enigmática de la energía oscura.

“Pantheon+ nos brinda nuestra mejor oportunidad hasta ahora para limitar la energía oscura, sus orígenes y evolución”, dice Brout.

Referencia: «Análisis de Pantheon+: restricciones cosmológicas» por Dillon Brout, Dan Scolnic, Brodie Popovic, Adam G. Riess, Anthony Carr, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, W. D’Arcy Kenworthy, Erik R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmese, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexei V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh W. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirshner, Anais Möller, Jessie Muir, Seshadri Nadathur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sako, Matthew R. Siebert, Mat Smith, Benjamin E. Stahl y Phil Wiseman, 19 de octubre de 2022, El diario astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04