Supernova kembar membuka kemungkinan baru untuk kosmologi halus

Ahli kosmologi telah menemukan cara untuk berkembang biak Kesehatan Mengukur jarak ke ledakan supernova – salah satu alat teruji dan benar mereka untuk mempelajari energi gelap misterius yang membuat alam semesta berkembang lebih cepat dan lebih cepat. Hasil kolaborasi dengan Pabrik Supernova terdekat (SNfactory), yang dipimpin oleh Greg Aldring dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Departemen Energi (Laboratorium Berkeley), akan memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari energi gelap dengan akurasi dan presisi yang ditingkatkan secara dramatis, memberikan lintas- pemeriksaan teknologi jarak jauh dan waktu. Hasilnya juga akan menjadi pusat eksperimen kosmik besar yang akan datang yang akan menggunakan teleskop darat dan luar angkasa baru untuk menguji penjelasan alternatif untuk energi gelap.

Dua makalah telah diterbitkan di Jurnal Astrofisika Melaporkan temuan ini, dengan Kyle Boone sebagai penulis utama. Saat ini, saya adalah Postdoctoral Fellow di Universitas Washington, Boone adalah mantan mahasiswa pascasarjana pemenang Hadiah Nobel di Saul Perlmutter, kepala ilmuwan di Laboratorium Berkeley dan profesor UC Berkeley yang memimpin salah satu tim yang awalnya menemukan energi gelap. Perlmutter juga salah satu penulis di kedua studi tersebut.

Supernova digunakan pada tahun 1998 untuk membuat penemuan mengejutkan bahwa perluasan alam semesta semakin cepat, bukannya melambat seperti yang diharapkan. Percepatan ini – dikaitkan dengan energi gelap yang membentuk dua pertiga dari semua energi di alam semesta – sejak itu telah dikonfirmasi oleh berbagai teknologi independen serta studi supernova yang lebih rinci.

Penemuan energi gelap bergantung pada penggunaan kelas supernova tertentu, Tipe 1. Supernova ini selalu meledak pada kecerahan maksimum intrinsik yang kira-kira sama. Karena kecerahan maksimum supernova yang diamati digunakan untuk menyimpulkan jarak, perbedaan kecil yang tersisa dalam kecerahan maksimum intrinsik membatasi akurasi energi gelap yang dapat diuji. Terlepas dari 20 tahun perbaikan oleh banyak kelompok, studi supernova energi gelap sejauh ini dibatasi oleh perbedaan ini.

Gambar kiri atas menunjukkan spektrum – kecerahan versus panjang gelombang – dari dua supernova. Yang satu dekat dan yang lainnya sangat jauh. Untuk mengukur energi gelap, para ilmuwan perlu mengukur jarak di antara mereka dengan sangat tepat, tetapi bagaimana mereka tahu jika keduanya sama? Gambar kanan bawah membandingkan spektrum – menunjukkan bahwa mereka sebenarnya adalah “kembar”. Artinya jarak relatif mereka bisa diukur dengan akurasi 3 persen. Titik terang di tengah bagian atas adalah gambar Teleskop Luar Angkasa Hubble 1994D (SN1994D) di galaksi NGC 4526. Kredit: Grafik: Zosia Rostomian / Berkeley Lab; Foto: NASA / Badan Antariksa Eropa

Menggandakan jumlah supernova

Hasil baru yang diumumkan oleh SNfactory berasal dari studi multi-tahun yang sepenuhnya didedikasikan untuk meningkatkan akurasi pengukuran kosmik yang dibuat dengan supernova. Mengukur energi gelap membutuhkan perbandingan kecerahan maksimum supernova jauh, yang miliaran tahun cahaya jauhnya dari supernova terdekat, “hanya” 300 juta tahun cahaya jauhnya. Tim mempelajari ratusan supernova terdekat dengan sangat detail. Setiap supernova diukur beberapa kali, dengan interval beberapa hari. Periksa setiap spektrometer supernova, catat intensitasnya di seluruh rentang panjang gelombang cahaya tampak. Instrumen yang dirancang khusus untuk penyelidikan ini, Spektrometer Medan Terpadu Supernova, yang dipasang di teleskop 2,2 m Universitas Hawaii di Maunakea, digunakan untuk mengukur spektrum.

“Kami selalu memiliki gagasan bahwa jika fisika ledakan dua supernova sama, kecerahan maksimumnya akan sama. Menggunakan spektrum pabrik supernova terdekat sebagai sejenis CT scan selama ledakan supernova, kami dapat uji ide ini, “kata Perlmutter.

Faktanya, beberapa tahun lalu, fisikawan Hanna Fakhoury, yang saat itu adalah mahasiswa pascasarjana yang bekerja dengan Perlmutter, menemukan kunci hasil hari ini. Melihat banyak spektrum yang ditangkap oleh SNfactory, saya menemukan bahwa dalam sejumlah besar kasus, spektrum dari dua supernova yang berbeda tampak sangat hampir identik. Dari 50 atau lebih supernova, beberapa di antaranya kembar hampir identik. Ketika spektrum berosilasi dari sepasang kembar dipasang, hanya ada satu jalur untuk mata. Analisis saat ini bergantung pada pengamatan ini untuk memodelkan perilaku supernova dalam periode yang mendekati waktu kecerahan maksimumnya.

Karya baru ini hampir melipatgandakan jumlah supernova yang digunakan dalam analisis. Ini membuat sampel cukup besar untuk menerapkan teknik pembelajaran mesin guna mengidentifikasi kembar ini, yang mengarah pada penemuan bahwa spektrum supernova tipe Ia berbeda hanya dalam tiga cara. Kecerahan intrinsik supernova juga bergantung terutama pada tiga perbedaan yang diamati ini, sehingga memungkinkan untuk mengukur jarak supernova dengan akurasi yang diamati sekitar 3%.

Sama pentingnya, metode baru ini tidak mengalami bias yang mengelilingi metode sebelumnya, seperti yang terlihat saat membandingkan supernova yang ditemukan di berbagai jenis galaksi. Karena galaksi dekat agak berbeda dari galaksi jauh, ada kekhawatiran serius bahwa ketergantungan tersebut dapat menghasilkan pembacaan yang salah dalam pengukuran energi gelap. Kekhawatiran ini sekarang dapat sangat dikurangi dengan mengukur supernova jauh dengan teknik baru ini.

Dalam menjelaskan pekerjaan ini, Boone mencatat bahwa “pengukuran konvensional jarak supernova menggunakan kurva cahaya – gambar ditangkap dalam beberapa warna saat supernova menyala dan memudar. Sebagai gantinya, kami menggunakan spektrum dari setiap supernova. Ini jauh lebih detail, dan dengan teknik pembelajaran mesin, kemudian menjadi mungkin untuk melihat perilaku kompleks yang merupakan kunci untuk pengukuran jarak yang lebih akurat. “

Hasil makalah Bonn akan menginformasikan dua eksperimen besar yang akan datang. Eksperimen pertama akan dilakukan di Observatorium Rubin sepanjang 8,4 meter, yang sedang dibangun di Chili, dengan Space and Time Heritage Survey, sebuah proyek bersama antara Departemen Energi dan National Science Foundation. Yang kedua adalah NASABerikutnya Roman Nancy Grace Telescope. Teleskop ini akan mengukur ribuan supernova untuk meningkatkan pengukuran energi gelap. Mereka akan dapat membandingkan hasil mereka dengan pengukuran yang dilakukan menggunakan teknik pelengkap.

Aldering, yang juga salah satu penulis makalah, mencatat, “Teknik pengukuran jarak ini tidak hanya lebih akurat, tetapi hanya membutuhkan satu spektrum, ditangkap saat supernova lebih terang dan dengan demikian lebih mudah diperhatikan – mengubah permainan! nilai tertentu di bidang ini di mana prakonsepsi ditemukan cacat dan kebutuhan akan verifikasi independen tinggi.

Kolaborasi SNfactory termasuk Laboratorium Berkeley, Laboratorium Fisika Nuklir dan Energi Tinggi di Sorbonne, Pusat Penelitian Astronomi di Lyon, dan Institut Fisika untuk Tak Terbatas 2 di Universitas Claude Bernard, Universitas YaleUniversitas Humboldt Jerman, Institut Max Planck untuk Astrofisika, Universitas Cina Tsinghua, Pusat Fisika Partikel di Marseille, dan Universitas Claremont-Auvergne.

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi, Divisi Astrofisika NASA, Yayasan Gordon dan Betty Moore, Institut Fisika Nuklir dan Partikel Nasional Prancis, dan Institut Nasional Bumi dan Astronomi Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis. Yayasan Riset Jerman, Pusat Antariksa Jerman, Dewan Riset Eropa, Universitas Tsinghua, dan Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional China.

Contoh supernova: Pabrik Sementara Palomar SN 2011fe ditemukan di galaksi Pinwheel dekat Big Dipper pada 24 Agustus 2011. Kredit: BJ Fulton, Las Cumbres Observatory Global Telescope Network

Latar belakang tambahan

Pada tahun 1998, dua kelompok bersaing yang mempelajari supernova, Proyek Kosmologi Supernova dan Tim Pencarian Supernova, mengumumkan bahwa mereka telah menemukan bukti bahwa, bertentangan dengan ekspektasi, perluasan alam semesta tidak melambat melainkan semakin cepat dan semakin cepat. Energi gelap adalah istilah yang digunakan untuk menjelaskan penyebab percepatan. Penghargaan Nobel 2011 diberikan kepada para pemimpin dari dua tim: Saul Perlmutter dari Berkeley Lab dan UC Berkeley, pemimpin proyek dari Supernova Cosmology, dan kepada Brian Schmidt dari Universitas Nasional Australia Adam Rees dari Johns Hopkins dari tim High-z.

Teknik tambahan untuk mengukur energi gelap termasuk alat spektroskopi energi gelap yang didukung Departemen Energi, dipimpin oleh Berkeley Lab, yang akan menggunakan spektroskopi pada 30 juta galaksi dalam teknologi yang disebut osilasi baryon akustik. Rubin juga akan menggunakan lensa lain, yang disebut lensa gravitasi lemah.

Referensi:

“Inklusi supernova Tipe 1. I. Variasi spektrum pada cahaya maksimum” oleh K. Boone, G. Aldering, P. Antilogus, C. Aragon, S. Bailey, C. Baltay, S. Bongard, dan C. Buton, Y. Copin, S. Dixon, D. Fouchez, E. Gangler, R. Gupta, B. Hayden, W. Hillebrandt, AG Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P.-F. Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, KA Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, RC Thomas dan M. Vincenzi, 6 Mei 2021, Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3c

“Inklusi Kembar Supernova Tipe 1. II. Meningkatkan Perkiraan Jarak Kosmik” oleh K. Boon, J. Aldring, B. Antelugus, C. Aragon, S. Bailey, C. Paltai, S. Bongard, C. Botton, Y. Cobain, S. Dickson Fuchs, E. Gangler, R. Gupta, B. Hayden, W. Hillebrandt, AG Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P.-F. Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, KA Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, RC Thomas dan M. Vincenzi, 6 Mei 2021, Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3b