L’analyse des explosions de supernova couvrant plus de deux décennies soutient de manière convaincante les théories cosmologiques modernes et alimente les efforts pour répondre aux questions fondamentales.

Les astrophysiciens ont mené une nouvelle analyse puissante qui place les limites les plus précises jamais connues sur la formation et l’évolution de l’univers. Avec cette analyse, surnommée Panthéon+, les cosmologistes se retrouvent à la croisée des chemins.

Pantheon+ soutient de manière convaincante que l’univers est composé d’environ deux tiers d’énergie noire et d’un tiers de matière, principalement sous forme de matière noire, et qu’il s’est développé à un rythme accéléré au cours des derniers milliards d’années. Cependant, Pantheon + cimente également une controverse majeure sur le rythme de cette expansion non résolue.

En plaçant les théories cosmologiques modernes dominantes, connues sous le nom de modèle standard de cosmologie, sur des preuves et des bases statistiques plus solides, Pantheon+ ferme également la porte à des cadres alternatifs responsables de énergie noire Et le matière noire. Les deux sont des pierres angulaires du modèle standard de la cosmologie, mais n’ont pas encore été directement découverts. Ils font partie des plus grands puzzles du modèle. Suite aux résultats de Pantheon+, les chercheurs peuvent désormais effectuer des tests d’observation plus précis et affiner les explications de l’univers apparent.

G299 a été laissé par une certaine classe de supernovae appelée Type Ia. Crédit : NASA/CXC/U.Texas

« Ces résultats de Pantheon+ nous permettent d’établir les contraintes les plus précises à ce jour sur la dynamique et l’histoire de l’univers », a déclaré Dillon Prout, boursier Einstein au Centre d’astrophysique. Harvard et Smithsonian. « Nous avons passé au crible les données et pouvons maintenant dire avec plus de confiance que jamais comment l’univers a évolué au cours des siècles et que les meilleures théories actuelles sur l’énergie noire et la matière noire sont puissantes. »

Pruitt est l’auteur principal d’une série d’articles détaillant le nouveau Panthéon + Analysea été publié conjointement le 19 octobre dans un numéro spécial de Journal astrophysique.

Pantheon + est basé sur le plus grand ensemble de données de ce type, avec plus de 1500 starbursts appelés supernovae de type Ia. Ces explosions lumineuses se produisent lorsque :[{” 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 découverte révolutionnaire de la croissance accélérée de l’univers en 1998 était due à l’étude des supernovae de type Ia de cette manière. Les scientifiques attribuent cette expansion à l’énergie invisible, c’est pourquoi on l’appelle l’énergie noire, qui est inhérente au tissu de l’univers lui-même. Les décennies de travail suivantes ont continué à collecter des ensembles de données de plus en plus volumineux, révélant des supernovae sur une plus large gamme d’espace et de temps, et Pantheon + les a maintenant réunies dans l’analyse statistique la plus puissante à ce jour.

Selon Adam Rees, l’un des lauréats du prix Nobel de physique 2011 pour avoir découvert l’accélération de l’expansion de l’univers et Bloomberg Distinguished Professor of Université John Hopkins (JHU) et Institut des sciences du télescope spatial à Baltimore, Maryland. Reese est également diplômé de Harvard avec un doctorat en astrophysique.

La carrière de Pruitt en cosmologie remonte à ses années universitaires à l’Université Johns Hopkins, où il a été encadré et conseillé par Reese. Là, Pruitt a fait équipe avec Dan Skolnick, alors doctorant et conseiller Reiss, qui est maintenant professeur adjoint de physique à l’Université Duke et autre co-auteur de la nouvelle série d’articles.

Il y a plusieurs années, Skolnik a développé l’analyse originale du panthéon d’environ 1 000 supernovae.

Aujourd’hui, Brout, Scolnic et leur nouvelle équipe Pantheon+ ont ajouté environ 50 % de points de données de supernova supplémentaires au Panthéon+, ainsi que des améliorations dans les techniques d’analyse et la gestion des sources d’erreur potentielles, ce qui a finalement entraîné une mauvaise précision par rapport au Panthéon d’origine.

« Ce saut dans la qualité de l’ensemble de données et notre compréhension de la physique sous-jacente n’auraient pas été possibles sans une équipe exceptionnelle d’étudiants et de collaborateurs qui ont travaillé dur pour améliorer chaque aspect de l’analyse », déclare Pruitt. .

En regardant les données dans leur ensemble, la nouvelle analyse voit 66,2% de l’univers apparaître comme de l’énergie noire, tandis que les 33,8% restants sont un mélange de matière et de matière noire. Pour acquérir une compréhension plus complète des composants constitutifs de l’univers à différentes époques, Brout et ses collègues ont combiné Panthéon + avec d’autres échelles complémentaires hautement éprouvées pour la structure à grande échelle de l’univers et avec des mesures de la lumière la plus proche de l’univers. . univers, le Fond Cosmique de Micro-Ondes.

Un autre résultat important de Pantheon+ concerne l’un des principaux objectifs de la cosmologie moderne : déterminer le taux actuel d’expansion de l’univers, connu sous le nom de constante de Hubble. La compilation de l’échantillon Panthéon + avec les données de SH0ES (supernova H0 pour l’équation d’état), dirigée par Reese, aboutit à la mesure locale la plus rigoureuse du taux d’expansion actuel de l’univers.

Allanthion + et SH0ES trouvent ensemble la constante de Hubble de 73,4 kilomètres par seconde par mégaparsec avec seulement 1,3% d’incertitude. Autrement dit, pour chaque mégaparsec, soit 3,26 millions d’années-lumière, l’analyse estime que dans l’univers proche, l’espace lui-même s’étend à plus de 160 000 miles par heure.

Cependant, les observations d’une époque complètement différente de l’histoire de l’Univers prédisent une histoire différente. Les mesures de la lumière la plus ancienne de l’univers, le fond diffus cosmologique, lorsqu’elles sont combinées avec le modèle standard actuel de cosmologie, confirment systématiquement la constante de Hubble à un rythme beaucoup plus lent que les observations faites via les supernovae de type Ia et d’autres marqueurs astrophysiques. Ce grand écart entre les deux méthodologies est appelé la souche de Hubble.

Les nouveaux ensembles de données Pantheon+ et SH0ES amplifient la tension de Hubble. En fait, la tension a maintenant franchi le seuil important de 5 sigma (la chance sur un million de se produire en raison du hasard) que les physiciens utilisent pour faire la distinction entre une chance statistique possible et quelque chose à comprendre en conséquence. Atteindre ce nouveau niveau statistique met en évidence le défi auquel sont confrontés à la fois les théoriciens et les astrophysiciens pour tenter d’expliquer l’incohérence de la constante de Hubble.

« Nous pensions qu’il serait peut-être possible de trouver dans notre ensemble de données des preuves d’une nouvelle solution à ces problèmes, mais au lieu de cela, nous avons constaté que nos données excluaient bon nombre de ces options et que de profondes divergences restaient aussi persistantes que jamais », déclare Brout.

Les résultats du Panthéon + peuvent aider à indiquer où la tension de Hubble se résout. « De nombreuses théories modernes commencent à pointer vers une nouvelle physique étrange dans l’univers primitif, mais de telles théories non vérifiées doivent passer le processus scientifique, et la tension de Hubble reste un énorme défi », déclare Pruitt.

Dans l’ensemble, Pantheon+ offre aux scientifiques un regard complet sur une grande partie de l’histoire cosmique. La supernova la plus ancienne et la plus éloignée de l’ensemble de données brille à une distance de 10,7 milliards d’années-lumière, car l’Univers avait environ le quart de son âge actuel. À cette époque antérieure, la matière noire et sa gravité associée contrôlaient le taux d’expansion de l’univers. Une telle situation a radicalement changé au cours du milliard d’années suivant, car l’influence de l’énergie noire a éclipsé l’effet de la matière noire. Depuis lors, l’énergie noire a séparé le contenu de l’univers et à un rythme de plus en plus rapide.

« Avec cet ensemble de données Panthéon + combiné, nous obtenons une image précise de l’univers à une époque où la matière noire était dominée par l’énergie noire », explique Pruitt. « Cet ensemble de données est une opportunité unique de voir l’énergie noire à l’œuvre et de conduire l’évolution de l’univers à son plus haut niveau à l’heure actuelle. »

Nous espérons que l’étude de ce changement maintenant avec des preuves statistiques plus solides conduira à de nouvelles connaissances sur la nature de la mystérieuse énergie noire.

« Pantheon+ nous donne la meilleure chance à ce jour de limiter l’énergie noire, ses origines et son évolution », déclare Pruitt.

Référence : « Pantheon + Analysis : Cosmic Constraints » par 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, Erik R. Peterson, Khaled Saeed, 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 Bois, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, May Day, Georgios Demetriadis, Alexei F. Filipenko, Ryan J. Foley, Saurabh Jha, Lisa Kelsey, Robert B Kirchner, Anis Muller, Jesse Muir, Seshadri Nadthor, Yen Chin Pan, Armin Rist, Cesar Rojas Bravo, Masao Sacco, Matthew Seibert, Matt Smith, Benjamin E. Stahl et Phil Wiseman, 19 octobre 2022, Journal astrophysique.
DOI : 10.3847/1538-4357/ac8e04