Estudo de supernova Pantheon + recorde revela o que compõe nosso Universo

Com 1550 supernovas de tipo Ia distintas medidas em ~10 bilhões de anos de tempo cósmico, o conjunto de dados Pantheon+ revela nosso Universo.

Esta imagem mostra os restos de uma supernova do tipo Ia. O segundo tipo mais comum de supernova no Universo, já observamos 1550 desses eventos através de telescópios modernos, permitindo-nos entender a história e a composição do nosso Universo como nunca antes. (Crédito: NASA/CXC/U.Texas)

Principais conclusões
  • Em 1998, duas colaborações diferentes estudando supernovas através do tempo cósmico revelaram a mesma conclusão surpreendente: o Universo não estava apenas se expandindo, mas galáxias distantes estavam recuando cada vez mais rápido com o passar do tempo.
  • Desde então, encontramos várias maneiras diferentes de medir o Universo em expansão e convergimos para um 'Modelo Padrão' de cosmologia, embora algumas discrepâncias ainda permaneçam.
  • Em um estudo de referência recém-lançado pelo Pantheon+, o conjunto de dados de supernova do tipo Ia mais abrangente acabou de ser analisado por suas implicações cosmológicas. Aqui estão os resultados.

Nossa busca sem fim, tanto na física quanto na astronomia, talvez seja a mais ambiciosa de todas: entender o Universo em um nível fundamental. Perguntas como:

  • o que é que compõe o Universo?
  • que proporções dos vários ingredientes que existem estão presentes?
  • Como o Universo veio a ser como é hoje?
  • como tudo começou?
  • e qual será nosso destino final, no futuro distante, realmente será?

costumava estar no reino do irrespondível. No entanto, nos últimos 200 anos, eles passaram do reino dos teólogos, filósofos e poetas para o reino científico. Pela primeira vez na história humana, e talvez em toda a existência, podemos responder a essas perguntas conscientemente, tendo revelado as verdades que estão escritas na face do próprio cosmos.

Cada vez que aprimoramos nossos melhores métodos para medir o Universo – por meio de dados mais precisos, conjuntos de dados maiores, técnicas aprimoradas, instrumentação superior e erros menores – temos a oportunidade de avançar o que sabemos. Uma das maneiras mais poderosas que temos para sondar o Universo é através de um tipo específico de supernova: explosões tipo Ia , cuja luz nos permite determinar como o Universo evoluiu e se expandiu ao longo do tempo. Com um recorde de supernovas do tipo Ia de 1550 em seu conjunto de dados de fevereiro de 2020, a equipe do Pantheon+ acaba de lançar uma pré-impressão de um novo artigo detalhando o estado atual da cosmologia. Aqui, até onde sabemos, está o que aprendemos sobre o Universo que habitamos.

Duas maneiras diferentes de fazer uma supernova Tipo Ia: o cenário de acreção (L) e o cenário de fusão (R). O cenário de fusão é responsável pela maioria de muitos dos elementos da tabela periódica, incluindo o ferro, que é o 9º elemento mais abundante no Universo em geral. ( Crédito : NASA/CXC/M. Weiss)

Como funcionam as supernovas do tipo Ia

Neste momento, em todo o Universo, os cadáveres de estrelas semelhantes ao Sol que completaram seus ciclos de vida persistem. Todos esses remanescentes estelares têm algumas coisas em comum: são todos quentes, fracos, compostos de átomos sustentados pela pressão de degeneração de seus elétrons e têm uma massa inferior a cerca de 1,4 vezes a massa do Sol.

Mas alguns deles têm companheiros binários e podem extrair massa deles se suas órbitas estiverem próximas o suficiente.

E outros encontrarão outras anãs brancas, o que pode levar a uma eventual fusão.

E outros encontrarão matéria de outros tipos, incluindo outras estrelas e aglomerados maciços de matéria.

Quando esses eventos ocorrem, os átomos no centro da anã branca - se a massa total exceder um limite crítico específico – se tornará tão densamente compactado sob condições extremas que os vários núcleos desses átomos começarão a se fundir. Os produtos dessas reações iniciais catalisarão reações de fusão no material circundante e, eventualmente, todo o remanescente estelar, a própria anã branca, será dilacerado em uma reação de fusão descontrolada. Isso resulta em uma explosão de supernova sem remanescente, nem buraco negro nem estrela de nêutrons, mas com uma curva de luz particular que podemos observar: um brilho, um pico e uma queda, característica de todas as supernovas do tipo Ia.

expansão do universo

Dois dos métodos mais bem-sucedidos para medir grandes distâncias cósmicas são baseados em seu brilho aparente (L) ou em seu tamanho angular aparente (R), ambos diretamente observáveis. Se pudermos entender as propriedades físicas intrínsecas desses objetos, podemos usá-los como velas padrão (L) ou réguas padrão (R) para determinar como o Universo se expandiu e, portanto, do que é feito ao longo de sua história cósmica. ( Crédito : NASA/JPL-Caltech)

Como as supernovas do tipo Ia revelam o Universo

Então, se você tem todas essas explosões diferentes acontecendo em todo o Universo, onde quer que você tenha anãs brancas – que estão basicamente em todos os lugares – o que você pode fazer com elas? Uma chave é reconhecer que esses objetos são relativamente padrão: como a versão cósmica de uma lâmpada de 60 watts. Se você sabe que tem uma lâmpada de 60 watts, sabe o quão intrinsecamente brilhante e luminosa é essa fonte de luz. Se você pode medir o quão brilhante essa luz parece para você, então você pode calcular, apenas com um pouco de matemática, a que distância aquela lâmpada deve estar.

Na astronomia não temos lâmpadas, mas essas supernovas do tipo Ia têm a mesma função: são um exemplo do que chamamos de velas padrão. Sabemos o quão intrinsecamente brilhantes eles são, então quando medimos suas curvas de luz e vemos quão brilhantes eles aparecem (junto com algumas outras características), podemos calcular a que distância eles estão de nós.

Quando adicionamos algumas outras informações, como:

  • quão severamente a luz dessas supernovas é desviada para o vermelho,
  • e como os desvios para o vermelho e as distâncias estão relacionados com as várias formas de energia que existem no contexto do Universo em expansão,

podemos usar esses dados de supernova para aprender sobre o que está presente no Universo e como o espaço se expandiu ao longo de sua história. Com 1550 supernovas individuais do tipo Ia que abrangem 10,7 bilhões de anos de história cósmica, os resultados mais recentes do Pantheon+ são um banquete para os cósmicos curiosos.

Panteão +

Este gráfico mostra as 1550 supernovas que fazem parte da análise Pantheon+, representadas em função da magnitude versus redshift. Todos eles se enquadram na linha que nosso modelo cosmológico padrão prevê, com até mesmo as supernovas do tipo Ia de maior desvio para o vermelho e mais distantes aderindo a essa relação simples. ( Crédito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submetido, 2022)

Como o Universo está se expandindo?

Esta é a pergunta que os dados da supernova são excelentes em responder diretamente: com o menor número de suposições e com o mínimo de erros inerentes aos seus métodos. Para cada supernova individual que observamos, nós:

  • medir a luz,
  • inferir a distância até o objeto no contexto do Universo em expansão,
  • também medir o redshift (muitas vezes através do redshift para a galáxia hospedeira identificada),
  • e, em seguida, plotá-los todos juntos.

É exatamente isso que o gráfico acima mostra: a relação entre o brilho medido das supernovas distantes (no eixo y) e o desvio para o vermelho medido (no eixo x) para cada supernova.

A linha preta que você vê mostra os resultados que você espera do modelo cosmológico mais adequado, assumindo que não há nada engraçado ou suspeito (ou seja, que não há física nova e não identificada) acontecendo. Enquanto isso, o painel superior mostra os pontos de dados individuais, com barras de erro, sobrepostas ao modelo cosmológico, enquanto o painel inferior simplesmente subtrai a linha de melhor ajuste e exibe desvios do comportamento esperado.

Como você pode ver, o acordo entre teoria e observação é espetacular. O Universo está se expandindo de forma completamente consistente com as leis conhecidas da física, e mesmo nas maiores distâncias – mostradas pelos pontos de dados vermelhos e violetas – não há discrepâncias discerníveis.

Panteão +

Restrições conjuntas da análise do Pantheon+, juntamente com os dados de oscilação acústica bariônica (BAO) e micro-ondas cósmica de fundo (Planck), sobre a fração do Universo existente na forma de matéria e na forma de energia escura, ou Lambda. Nosso Universo é 33,8% matéria e 66,2% energia escura, até onde sabemos, com apenas 1,8% de incerteza. ( Crédito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submetido, 2022)

O que compõe o Universo?

Agora começamos a entrar na parte divertida: usar esses dados para descobrir o que está acontecendo com o cosmos nas maiores escalas. O Universo é composto de muitos tipos diferentes de partículas e campos, incluindo:

  • energia escura, que é algum tipo de energia intrínseca ao tecido do espaço,
  • matéria escura, que causa a maior parte da atração gravitacional no Universo,
  • matéria normal, incluindo estrelas, planetas, gás, poeira, plasma, buracos negros e tudo o mais feito de prótons, nêutrons e/ou elétrons,
  • neutrinos, que são partículas extremamente leves que têm uma massa de repouso diferente de zero, mas que superam as partículas de matéria normal em cerca de um bilhão para um,
  • e fótons, ou partículas de luz, que são produzidas nos primeiros tempos do quente Big Bang e nos últimos tempos pelas estrelas, entre outras fontes.

Observar os dados de supernovas acima apenas do Pantheon+ nos dá os contornos coloridos e sombreados. No entanto, se também incluirmos as informações que podemos obter examinando a estrutura em grande escala do Universo (chamada BAO, acima) e a radiação remanescente do Big Bang (rotulada Planck, acima), podemos ver que há apenas um intervalo muito estreito de valores em que todos os três conjuntos de dados se sobrepõem. Quando os juntamos, descobrimos que o Universo é feito de aproximadamente:

  • 66,2% de energia escura,
  • 33,8% de matéria, tanto normal quanto escura combinada,
  • e uma quantidade insignificantemente pequena de todo o resto,

com cada componente, total, tendo uma incerteza total de ±1,8% associada a ele. Isso nos leva à determinação mais precisa de O que há em nosso Universo? de todos os tempos.

Panteão +

Embora existam muitos aspectos do nosso cosmos com os quais todos os conjuntos de dados concordam, a taxa na qual o Universo está se expandindo não é um deles. Com base apenas em dados de supernovas, podemos inferir uma taxa de expansão de ~73 km/s/Mpc, mas as supernovas não sondam os primeiros ~3 bilhões de anos de nossa história cósmica. Se incluirmos dados da radiação cósmica de fundo, emitida muito perto do Big Bang, há diferenças irreconciliáveis ​​neste momento. ( Crédito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submetido, 2022)

Quão rápido o Universo está se expandindo?

Eu disse que descobrir o que compõe o Universo foi onde a diversão começou? Bem, se isso foi divertido para você, então prepare-se, porque esta próxima etapa é completamente banana. Se você sabe o que compõe o seu Universo, então tudo o que você precisa fazer se você quer saber o quão rápido o universo está se expandindo é ler a inclinação da linha que relaciona a distância ao redshift do seu conjunto de dados.

E é aí que realmente entra o problema.

  • Se você sair apenas dos dados de supernova, que são rotulados aqui como Pantheon+ & SH0ES, você pode ver que você obtém uma faixa muito estreita de valores permitidos, com um pico de 73 km/s/Mpc, com uma incerteza muito pequena de aproximadamente ± ± 1 km/s/Mpc.
  • Mas se, em vez disso, você dobrar o brilho restante do Big Bang, ou seja, os dados de Fundo de Microondas Cósmicas do Planck, você obterá os contornos rotulados Pantheon + e Planck, que tem um pico de cerca de 67 km/s/Mpc, com novamente uma pequena incerteza de cerca de ±1 km/s/Mpc.

Observe como há uma incrível consistência mútua entre todos os conjuntos de dados para todos os gráficos acima que não estão na primeira coluna de entradas. Mas para a primeira coluna, temos dois conjuntos diferentes de informações que são todas autoconsistentes, mas inconsistentes entre si.

Embora haja muita pesquisa sendo feita atualmente sobre a natureza deste enigma , com uma solução potencial parecendo particularmente atraente, esta pesquisa mostra de forma robusta a validade dessa discrepância e a significância incrivelmente alta em que esses dois conjuntos de dados discordam um do outro.

Panteão +

Conforme detalhado no artigo mais recente, as várias fontes de incerteza que podem ser atribuídas às medições de supernovas do tipo Ia são relativamente minúsculas em comparação com a significância da tensão de Hubble e compreendem menos de 1/3 do total de erros associados à escada de distância cósmica Medidas. A tensão do Hubble não é um erro de medição. ( Crédito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submetido, 2022)

A discrepância poderia ser devido a algum tipo de erro de medição?

Não.

É uma coisa incrível poder dizer definitivamente: não, essa diferença não pode ser atribuída a algum erro na forma como medimos essas coisas.

  • Não pode ser devido a uma calibração incorreta das distâncias próximas às supernovas mais próximas.
  • Não pode ser devido às razões de elementos pesados ​​das estrelas usadas para calibrar as distâncias para galáxias hospedeiras próximas.
  • Não pode ser devido a mudanças na escala absoluta das supernovas.
  • Não pode ser devido a incertezas na relação período-luminosidade para Cefeidas.
  • Ou da cor das Cefeidas.
  • Ou devido à evolução das anãs brancas explosivas.
  • Ou devido à evolução dos ambientes em que essas supernovas são encontradas.
  • Ou a erros sistemáticos nas medições.

Na verdade, é discutível que o mais impressionante de todo o trabalho pesado feito pela equipe do Pantheon+ são os erros e incertezas notavelmente pequenos que existem quando você analisa os dados. O gráfico acima mostra que você pode alterar o valor da constante de Hubble hoje, H0, por não mais do que cerca de 0,1 a 0,2 km/s/Mpc para qualquer fonte de erro específica. Enquanto isso, a discrepância entre os métodos rivais de medir o Universo em expansão está em torno de ~ 6,0 km/s/Mpc, o que é surpreendentemente grande em comparação.

Em outras palavras: não. Essa discrepância é real, e não um erro ainda não identificado, e podemos dizer isso com extrema confiança. Algo estranho está acontecendo, e cabe a nós descobrir o quê.

Panteão +

As últimas restrições da análise do Pantheon+, envolvendo 1550 supernovas do tipo Ia, são totalmente consistentes com a energia escura sendo nada mais do que uma constante cosmológica baunilha. Não há evidências que favoreçam sua evolução no tempo ou no espaço. ( Crédito : D. Brout et al./Pantheon+, ApJ submetido, 2022)

Qual é a natureza da energia escura?

Esta é outra coisa que vem junto com a medição da luz de objetos em todo o Universo: em diferentes distâncias e com diferentes redshifts. Você tem que lembrar que sempre que um objeto cósmico distante emite luz, essa luz tem que viajar por todo o Universo – enquanto o próprio tecido do espaço se expande – da fonte ao observador. Quanto mais longe você olhar, mais tempo a luz teve que viajar, o que significa que mais da história da expansão do Universo é codificada na luz que você observa.

Existem duas suposições que podemos escolher fazer sobre a energia escura:

  1. ou tem as mesmas propriedades em todos os lugares, em todos os momentos e em todos os locais,
  2. ou podemos permitir que essas propriedades variem, inclusive alterando a força da energia escura.

Nos dois gráficos acima, o da esquerda mostra o que aprendemos se assumirmos a primeira opção, enquanto o da direita mostra o que aprendemos se assumirmos a segunda. Como você pode ver claramente, mesmo que as incertezas sejam bastante grandes à direita (e menos à esquerda), tudo é perfeitamente consistente com a explicação mais chata para a energia escura: que é simplesmente uma constante cosmológica em todos os lugares e em todos os momentos. (Ou seja, w = -1,0, exatamente, e que wpara, aparecendo apenas no segundo gráfico, é exatamente igual a 0.)

A energia escura é chata, e nada nisso, os dados de supernovas mais abrangentes de todos, indica o contrário.

energia escura

Os diferentes destinos possíveis do Universo, com nosso destino real e acelerado mostrado à direita. Depois de um tempo suficiente, a aceleração deixará todas as estruturas galácticas ou supergalácticas ligadas completamente isoladas no Universo, à medida que todas as outras estruturas aceleram irrevogavelmente. Só podemos olhar para o passado para inferir a presença e as propriedades da energia escura, que requerem pelo menos uma constante, mas suas implicações são maiores para o futuro. ( Crédito : NASA e ESA)

E as alternativas?

Houve muitas interpretações alternativas dos dados apresentadas por uma variedade de cientistas como desafios para a interpretação convencional.

Alguns afirmam que talvez há uma quantidade significativa de curvatura para o Universo , mas isso requer uma constante de Hubble mais baixa do que o Pantheon+ permite, então isso é completamente descartado.

Outros afirmaram que a tensão do Hubble é simplesmente um artefato de dados mal calibrados , mas a análise robusta apresentada aqui pelo Pantheon+ mostra minuciosamente que isso é falso.

Outros ainda levantaram a hipótese de que a própria matéria escura tem uma força que é proporcional a alguma potência da velocidade da matéria , e mudaria com o tempo, eliminando a necessidade de energia escura. Mas o extenso alcance do conjunto de dados do Pantheon +, nos levando de volta a quando o Universo tinha menos de um quarto de sua idade atual, exclui isso.

O fato é que toda a energia escura potencial não existe explicações, como talvez as supernovas do tipo Ia evoluam significativamente ou aquilo a análise de supernova tipo Ia simplesmente não é significativa o suficiente , são agora ainda mais desfavorecidos. Na ciência, quando os dados são decisivos e definitivamente contra você, é hora de seguir em frente.

A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada degrau traz consigo suas próprias incertezas, especialmente os degraus onde os diferentes degraus da escada se conectam. No entanto, melhorias recentes na escada de distância demonstraram o quão robustos são seus resultados. ( Crédito : NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (JHU))

E isso nos traz aos dias atuais. Quando a descoberta da expansão acelerada do Universo foi anunciada em 1998, foi baseada em apenas algumas dezenas de supernovas do tipo Ia. Em 2001, quando os resultados finais do projeto-chave do Telescópio Espacial Hubble foram anunciados, os cosmólogos ficaram em êxtase por terem determinado a taxa na qual o Universo se expandiu para meros ~ 10%. E em 2003, quando os primeiros resultados do WMAP – a missão predecessora do Planck – chegaram, foi revolucionário medir os vários componentes da energia no Universo com uma precisão incrível.

Embora avanços substanciais tenham sido feitos em muitos aspectos da cosmologia desde então, a explosão de dados de supernova de alta qualidade e alto desvio para o vermelho não deve ter sua importância subestimada. Com 1.550 supernovas independentes do tipo Ia, a análise do Pantheon+ nos deu uma imagem mais abrangente e confiável do nosso Universo do que nunca.

Somos feitos de 33,8% de matéria e 66,2% de energia escura. Estamos expandindo a 73 km/s/Mpc. A energia escura é perfeitamente consistente com uma constante cosmológica, e o espaço de manobra está ficando bastante apertado para quaisquer desvios substanciais. Os únicos erros e incertezas restantes em nossa compreensão das supernovas do tipo Ia são agora minúsculos. E, no entanto, de forma alarmante, os dados não oferecem solução para o motivo pelo qual diferentes métodos de medição da taxa de expansão do Universo produzem resultados discrepantes. Desvendamos muitos mistérios cósmicos em nossa busca para entender o Universo até agora. Mas os mistérios não resolvidos que temos hoje, apesar dos notáveis ​​novos dados, permanecem tão intrigantes como sempre.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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