Les explosions de supernova révèlent des détails infimes sur l’énergie noire et la matière noire

Une impression artistique de deux étoiles naines blanches fusionnant et créant une supernova de type Ia. Crédit : ESO/L. Calsada

L’analyse des explosions de supernova qui ont duré plus de deux décennies renforce de manière convaincante les théories cosmologiques modernes et revitalise 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 + solidifie 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 bases probantes et statistiques plus solides, Pantheon+ ferme également la porte à des cadres alternatifs qui tiennent compte de énergie noire Et le matière noire. Les deux sont des pierres angulaires du modèle standard de 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 classe particulière de supernovae appelée Type Ia. Crédit : NASA/CXC/U.Texas

« Avec ces résultats de Pantheon+, nous pouvons imposer les contraintes les plus précises sur la dynamique et l’histoire de l’univers à ce jour », déclare Dillon Prout, Einstein’s Fellow au Center for Astrophysics. Harvard et Smithsonian. « Nous avons passé au peigne fin les données et pouvons maintenant dire avec plus de confiance que jamais auparavant comment l’univers a évolué au fil des âges 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 décrivant 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, comprenant plus de 1 500 sursauts d’étoiles 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 l’accélération de la croissance de l’univers en 1998 était grâce à l’étude des supernovae de type Ia de cette manière. Les scientifiques attribuent cette expansion à l’énergie invisible, et 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 assembler des ensembles de données toujours plus grands, révélant des supernovae dans un plus large éventail 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 et titulaire d’un doctorat en astrophysique.

La carrière de Pruitt en cosmologie remonte à ses années de premier cycle à l’Université Johns Hopkins, où il a été encadré et conseillé par Reese. Là, Pruitt a travaillé avec Dan Skolnick, alors doctorant et conseiller Reiss, qui est maintenant professeur adjoint de physique à l’Université Duke et un 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 ont ajouté au Panthéon+ environ 50 % des points de données de supernova dans 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 du Panthéon d’origine.

« Ce saut dans la qualité des ensembles de données et notre compréhension de la physique qui le sous-tend n’auraient pas été possibles sans une excellente équipe d’étudiants et de collaborateurs travaillant 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, les 33,8% restants étant 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 fortement éprouvées, indépendantes et complémentaires à la structure à grande échelle de l’univers et avec des mesures de la lumière la plus proche de l’univers, le Fond de micro-ondes cosmique.

Un autre résultat majeur 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. L’assemblage de l’échantillon Panthéon + avec les données de SH0ES (supernova H0 pour l’équation d’état), dirigé par Reese, aboutit à la mesure locale la plus stricte 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, corroborent systématiquement la constante de Hubble à un taux bien inférieur aux observations faites via les supernovae de type Ia et d’autres marqueurs astrophysiques. Ce grand écart entre les deux méthodologies s’appelle la tension 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 probabilité qu’un sur un million se produise en raison du hasard) que les physiciens utilisent pour faire la distinction entre le hasard statistique possible et quelque chose à comprendre en conséquence. Atteindre ce nouveau niveau statistique met en évidence le défi auquel les théoriciens et les astrophysiciens sont confrontés pour tenter d’expliquer l’incohérence de la constante de Hubble.

« Nous pensions qu’il serait possible de trouver des preuves d’une nouvelle solution à ces problèmes dans notre ensemble de données, mais au lieu de cela, nous avons constaté que nos données excluent bon nombre de ces options et que de profondes divergences restent aussi insolubles que jamais », explique 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, cependant, de telles théories non vérifiées doivent résister au 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 10,7 milliards d’années-lumière, puisque 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 des milliards d’années suivantes, l’influence de l’énergie noire ayant 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.

« Grâce à cet ensemble de données Panthéon+ combiné, nous obtenons une vision 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 aux plus hauts niveaux 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 offre notre meilleure opportunité à ce jour de contraindre 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, Éric 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. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chin, Ken Chambers, David A. Coulter, May Day, Georgios Demetriadis, Alexei F. 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