迄今为止最精确的暗物质和暗能量计算

迄今为止最精确的暗物质和暗能量计算

天体物理学家进行了一项强有力的新分析,对宇宙的组成和演化设置了迄今为止最精确的限制。 通过这种被称为 Pantheon+ 的分析,宇宙学家发现自己处于十字路口。

万神殿+令人信服地发现,宇宙由大约三分之二的暗能量和三分之一的物质组成——主要以暗物质的形式——并且在过去数十亿年中以加速的速度膨胀。 然而,Pantheon+ 也巩固了关于尚未解决的扩张速度的重大分歧。

通过将流行的现代宇宙学理论(称为宇宙学标准模型)置于更坚实的证据和统计基础上,Pantheon+ 进一步关闭了解释暗能量和暗物质的替代框架的大门。 两者都是宇宙学标准模型的基石,但还没有被直接探测到,并且是该模型最大的谜团之一。 继 Pantheon+ 的结果之后,研究人员现在可以完善对表面宇宙的解释。

“有了这些 Pantheon+ 的结果,我们能够对迄今为止的宇宙动力学和历史施加最精确的限制,”天体物理学中心的爱因斯坦研究员 Dillon Brout 说 | 哈佛和史密森尼。 “我们对数据进行了梳理,现在可以比以往任何时候都更有信心地说宇宙是如何在万古中进化的,并且目前关于暗能量和暗物质的最佳理论是强有力的。”

Brout 是描述新的 Pantheon+ 分析的一系列论文的主要作者,这些论文今天联合发表在《天体物理学杂志》的一期特刊上。

Pantheon+ 基于同类中最大的数据集,包括 1,500 多个称为 Ia 型超新星的恒星爆炸。 这些明亮的爆炸发生在白矮星——像我们太阳这样的恒星的残余物——积累过多的质量并经历失控的热核反应时。 由于 Ia 型超新星的亮度超过了整个星系,因此可以在超过 100 亿光年的距离或大约四分之三的宇宙总年龄中看到恒星爆炸。 鉴于超新星以几乎均匀的内在亮度闪耀,科学家们可以利用爆炸的表观亮度(随着距离的增加而减弱)以及红移测量值作为时间和空间的标记。 反过来,这些信息揭示了宇宙在不同时期膨胀的速度,然后用于测试宇宙基本组成部分的理论。

1998 年宇宙加速增长的突破性发现要归功于以这种方式对 Ia 型超新星进行的研究。 科学家们将这种膨胀归因于一种看不见的能量,因此被称为暗能量,是宇宙本身结构所固有的。 随后数十年的工作继续编译越来越大的数据集,揭示了更广泛的空间和时间范围内的超新星,而 Pantheon+ 现在已将它们整合到迄今为止统计上最稳健的分析中。

2011 年诺贝尔物理学奖获得者之一亚当·里斯 (Adam Riess) 说:“在许多方面,最新的 Pantheon+ 分析是全球观察家和理论家在破译宇宙本质方面二十多年辛勤努力的结晶。”发现宇宙加速膨胀,约翰霍普金斯大学和马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的布隆伯格特聘教授。 里斯也是哈佛大学的校友,拥有博士学位。 在天体物理学中。

布劳特自己在宇宙学方面的职业生涯可以追溯到他在 JHU 的本科岁月,在那里他接受了里斯的教导和建议。 在那里,Brout 与当时的博士生和 Riess 顾问 Dan Scolnic 合作,后者现在是杜克大学的物理学助理教授,也是新系列论文的另一位合著者。

几年前,Scolnic 开发了对大约 1,000 颗超新星的原始万神殿分析。

现在,Brout 和 Scolnic 及其新的 Pantheon+ 团队在 Pantheon+ 中增加了大约 50% 的超新星数据点,同时改进了分析技术并解决了潜在的错误来源,最终获得了两倍于原始 Pantheon 的精度。

将数据作为一个整体,新的分析认为,宇宙的 66.2% 表现为暗能量,其余 33.8% 是暗物质和物质的组合。 为了更全面地了解宇宙在不同时期的组成成分,Brout 及其同事将 Pantheon+ 与其他有力证明的、独立的和互补的宇宙大尺度结构测量以及来自宇宙中最早的光的测量相结合宇宙,宇宙微波背景。

Pantheon+ 的另一个关键结果与现代宇宙学的最重要目标之一有关:确定当前宇宙的膨胀率,即哈勃常数。 将 Pantheon+ 样本与由 Riess 领导的 SH0ES(状态方程的超新星 H0)合作的数据合并,可以对当前宇宙膨胀率进行最严格的局部测量。

Pantheon+ 和 SH0ES 共同发现哈勃常数为每秒 73.4 公里/百万秒差距,不确定性仅为 1.3%。 换句话说,对于每百万秒差距,或 326 万光年,分析估计在附近的宇宙中,空间本身正在以超过 160,000 英里/小时的速度膨胀。

然而,来自宇宙历史完全不同时期的观察预测了一个不同的故事。 对宇宙最早的光、宇宙微波背景的测量与当前的宇宙学标准模型相结合时,始终以明显低于通过 Ia 型超新星和其他天体物理标记进行的观测的速率确定哈勃常数。 这两种方法之间的巨大差异被称为哈勃张力。

新的 Pantheon+ 和 SH0ES 数据集加剧了这种哈勃紧张局势。 事实上,张力现在已经超过了物理学家用来区分可能的统计侥幸和必须相应理解的东西的重要 5 西格玛阈值(大约百万分之一的随机机会出现的几率)。 达到这个新的统计水平凸显了理论家和天体物理学家试图解释哈勃常数差异的挑战。

“我们认为有可能在我们的数据集中找到解决这些问题的新方法的线索,但相反,我们发现我们的数据排除了许多这些选项,而且深刻的差异仍然像以往一样顽固,”Brout 说.

万神殿+的结果可以帮助指出解决哈勃张力的方法在哪里。 “许多最近的理论已经开始指向早期宇宙中奇异的新物理学,但是这些未经证实的理论必须经受住科学进程,而哈勃张力仍然是一个重大挑战,”布劳特说。

总体而言,Pantheon+ 为科学家们提供了对大部分宇宙历史的全面回顾。 数据集中最早、最遥远的超新星从 107 亿光年外发出光芒,这意味着宇宙大约是其当前年龄的四分之一。 在那个较早的时代,暗物质及其相关的引力控制了宇宙的膨胀率。 随着暗能量的影响压倒暗物质的影响,这种情况在接下来的数十亿年中发生了巨大变化。 从那以后,暗能量以越来越快的速度将宇宙的内容抛得越来越远。

“通过这个组合的 Pantheon+ 数据集,我们可以准确地了解宇宙从暗物质主导到宇宙被暗能量主导的时间,”Brout 说。 “这个数据集是一个独特的机会,可以看到暗能量开启并推动宇宙在迄今为止最大规模上的演化。”

现在用更有力的统计证据来研究这种转变,有望对暗能量的神秘本质产生新的认识。

“Pantheon+ 为我们提供了迄今为止限制暗能量、其起源和演化的最佳机会,”Brout 说。

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黑洞喷出恒星碎片。

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