1,500 颗超新星提供了迄今为止对暗能量和暗物质的最精确调查
二十年来对超新星爆发的观测和强大的新分析工具提供了迄今为止对暗能量和暗物质的最准确计算。
暗能量 和 暗物质 ——通常被统称为“黑暗宇宙”——是神秘的，因为尽管它们构成了宇宙能量和物质含量的至少 95%，但它们无法直接被观察到。 暗能量的存在是从它推动宇宙加速膨胀这一事实推断出来的。 宇宙. 暗物质不与光相互作用，因此“不可见”，由于其引力影响而被间接检测到，这实际上阻止了星系在旋转时飞散。
这项名为 Pantheon+ 的新分析证实，宇宙的物质能量含量由大约三分之二的暗能量和三分之一的物质组成，其中大部分以暗物质的形式存在。 分析还证实，在过去的几十亿年里，宇宙一直在以加速的速度膨胀，而关于膨胀速度的关键分歧仍未解决。
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Pantheon+ 分析背后的天体物理学家获得的结果提供了进一步的统计证据，即构成标准模型的现代宇宙学理论为暗能量和暗物质提供了最好的解释。 这意味着 Pantheon+ 分析可以帮助关闭试图解释宇宙这些神秘方面的替代框架的大门，并可以帮助科学家磨练他们对黑暗宇宙的理解。
“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约束，”哈佛和史密森尼天体物理学中心的天体物理学家 Dillon Brout 在一篇文章中说 陈述 （在新标签中打开）. “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千百年来进化的，并且目前关于暗能量和暗物质的最佳理论是强有力的。”
用宇宙蜡烛照亮黑暗的宇宙
万神殿最初是由北卡罗来纳州杜克大学的物理学家丹·斯科尔尼克（Dan Scolnic）开发的，几年前这项新研究的合著者，当时该分析依赖于 1,000 超新星，或恒星爆炸。
在这项新研究中，Brout、Scolnic 和他们的同事将该数据集增加到 1,500 多颗超新星。 此外，他们改进了分析技术并解决了潜在的错误来源。 升级使 Pantheon+ 的精度是原始 Pantheon 的两倍。
该技术依赖于天文学家所说的 Ia 型超新星，这是一种宇宙爆炸，发生在恒星残骸称为 白矮星 以快速的速度从伴星积累物质，引发失控的热核反应。
这种各种各样的宇宙爆炸可以如此明亮，以至于它们超过了每一个 星星 在他们的 星系 加起来，天文学家已经在 100 亿光年之外发现了这种类型的超新星。 因为光需要有限的时间才能到达 地球，天文学家也在回顾过去——在 100 亿光年的情况下，回到宇宙只有当前年龄的四分之一的时候。
每颗 Ia 型超新星都释放出相同数量的光，因此天文学家称它们为“标准烛光”，并利用这些事件来测量宇宙距离和宇宙膨胀。
距离测量是可能的，因为 Ia 型超新星光的亮度会随着它的传播而减弱。 计算宇宙的膨胀更复杂； 它依赖于确定光线被拉伸了多少——或者“红移”正如天文学家所说的那样——它在不断膨胀的宇宙中旅行了数十亿年。
超新星在不同距离和宇宙历史不同时期的红移揭示了宇宙在不同时期膨胀的速度。 这些测量结果可用于测试宇宙基本成分的理论，包括暗能量和暗物质。
1998 年，两个独立的科学家团队使用对遥远 Ia 型超新星的观测来计算宇宙的膨胀实际上正在加速。 这对物理学家来说是一个巨大的冲击，他们认为是什么引发了宇宙最初的快速膨胀——通常称为“大爆炸“——已经消散，宇宙的膨胀速度变慢了。
宇宙的加速膨胀类似于推着一个荡秋千的孩子，看着他们慢慢地几乎停了下来，突然他们开始更快地摆动，没有任何进一步的推动，就可以摆动到更高的高度。
暗能量成为宇宙推动的一个占位符名称，它越来越快地伸展宇宙的结构。 暗物质几乎是这枚硬币的另一面，它的引力影响有助于在暗能量将它们推开时将星系内部保持在一起。
当暗能量开始主导物质（主要是暗物质）的影响并开始以越来越快的速度将宇宙分开时，宇宙的膨胀开始加速。
“通过这个组合的 Pantheon+ 数据集，我们可以获得从暗物质主导到宇宙被暗能量主导的宇宙的精确视图，”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最大规模上的演化。”
“哈勃张力”依然存在
此外，万神殿+分析加剧了宇宙学中一个挥之不去的问题。
科学家称宇宙的膨胀速度为 哈勃常数，Pantheon+ 分析以每百万秒差距每秒 45.6 英里（73.4 公里）的速度计算，只有 1.3% 的不确定性。 这意味着对于每百万秒差距（相当于 326 万光年），分析估计附近的宇宙空间本身正在以超过 160,000 英里/小时（260,000 公里/小时）的速度膨胀。
测量哈勃常数的另一种方法是使用宇宙微波背景 (CMB) 辐射，这是大爆炸后不久的一次事件留下的化石光。 然而，这种方法和 Ia 型超新星方法提出了不同的哈勃常数值。 这种差异被称为“哈勃张力”，而万神殿+的结果进一步突出了这种挥之不去的差异，因为分析足够精确，天文学家计算出随机机会引起的张力的几率仅为百万分之一。
尽管如此，这些结果可以帮助科学家确定这两种不同测量技术之间差异的根源。
“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. “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，然而，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。”
Pantheon+ 汇集了自 1998 年突破性发现暗能量以来对 Ia 型超新星的观测结果，以更好地约束宇宙中的这一元素。
约翰霍普金斯大学和马里兰州太空望远镜科学研究所的宇宙学家亚当·里斯 (Adam Riess) 是这项新研究的合著者，他是 1998 年发现背后团队的成员之一。 他因发现宇宙加速膨胀而分享了 2011 年诺贝尔物理学奖。
“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来辛勤努力的结晶，”里斯说。
该团队的研究被描述在一个 系列论文 周三（10 月 19 日）发表在《天体物理学杂志》上。
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