ความลึกลับของพลังงานมืดการขยายตัวของเอกภพ

Pantheon+ ค้นพบอย่างน่าเชื่อถือว่าจักรวาลประกอบด้วยพลังงานมืดประมาณสองในสามและสสารหนึ่งในสาม - ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของสสารมืด - และกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงหลายพันล้านปีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม Pantheon+ ยังตอกย้ำความขัดแย้งครั้งใหญ่เกี่ยวกับการขยายตัวดังกล่าวซึ่งยังไม่ได้รับการแก้ไข ด้วยการนำทฤษฎีจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ที่แพร่หลายหรือที่เรียกว่า Standard Model of Cosmology มาวางบนฐานหลักฐานและสถิติที่แน่นแฟ้นยิ่งขึ้น Pantheon+ จึงปิดประตูสู่กรอบทางเลือกที่คำนึงถึงพลังงานมืดและสสารมืด ทั้งสองอย่างนี้เป็นรากฐานของแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา แต่ยังไม่ได้รับการตรวจพบโดยตรงและจัดอยู่ในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของแบบจำลอง จากผลของ Pantheon+ นักวิจัยสามารถดำเนินการทดสอบเชิงสังเกตที่แม่นยำยิ่งขึ้นและขัดเกลาคำอธิบายเกี่ยวกับจักรวาลที่มองเห็นได้ Dillon Brout, Einstein Fellow จาก Center for Astrophysics | "ด้วยผลลัพธ์ของ Pantheon+ เราสามารถระบุข้อจำกัดที่แม่นยำที่สุดเกี่ยวกับพลวัตและประวัติศาสตร์ของเอกภพจนถึงปัจจุบัน" ฮาร์วาร์ดและสมิธโซเนียน "เราได้รวบรวมข้อมูลและตอนนี้สามารถพูดได้อย่างมั่นใจมากขึ้นกว่าที่เคยว่าเอกภพมีวิวัฒนาการอย่างไรในช่วงหลายยุคหลายสมัย และทฤษฎีที่ดีที่สุดในปัจจุบันสำหรับพลังงานมืดและสสารมืดยังคงแข็งแกร่ง" Brout เป็นผู้เขียนหลักของชุดเอกสารที่อธิบายการวิเคราะห์ Pantheon+ ใหม่ ซึ่งตีพิมพ์ร่วมกันในวันนี้ในฉบับพิเศษของThe Astrophysical Journal Pantheon+ อ้างอิงจากชุดข้อมูลที่ใหญ่ที่สุดในประเภทเดียวกัน ซึ่งประกอบด้วยการระเบิดของดาวฤกษ์มากกว่า 1,500 ครั้งที่เรียกว่าซูเปอร์โนวาประเภท Ia การระเบิดที่สว่างจ้าเหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อดาวแคระขาวซึ่งเป็นเศษซากของดาวฤกษ์อย่างเช่นดวงอาทิตย์ของเรา มีมวลสะสมมากเกินไปและเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์แบบหลบหนี เนื่องจากซูเปอร์โนวาประเภท Ia ส่องสว่างกว่ากาแล็กซีทั้งหมด การระเบิดของดาวฤกษ์จึงสามารถมองเห็นได้ในระยะทางที่ไกลกว่า 10 พันล้านปีแสง หรือย้อนกลับไปประมาณสามในสี่ของอายุทั้งหมดของเอกภพ เนื่องจากซูเปอร์โนวาลุกโชนด้วยความสว่างภายในที่เกือบเท่ากัน นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถใช้ความสว่างปรากฏของการระเบิดซึ่งลดลงตามระยะทาง พร้อมกับการวัดแบบเรดชิฟต์เป็นเครื่องหมายของเวลาและอวกาศ ในทางกลับกัน ข้อมูลดังกล่าวเผยให้เห็นว่าเอกภพขยายตัวเร็วเพียงใดในช่วงยุคต่างๆ การค้นพบที่ก้าวล้ำในปี 1998 ของการเติบโตอย่างรวดเร็วของเอกภพเป็นผลมาจากการศึกษาซูเปอร์โนวาประเภท Ia ในลักษณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ระบุว่าการขยายตัวเป็นพลังงานที่มองไม่เห็น จึงมีชื่อเล่นว่าพลังงานมืด ซึ่งมีอยู่ในโครงสร้างของเอกภพเอง การทำงานในทศวรรษต่อมาได้รวบรวมชุดข้อมูลที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ เผยให้เห็นซูเปอร์โนวาในอวกาศและเวลาที่กว้างขึ้น และตอนนี้ Pantheon+ ได้นำพวกมันมารวมกันเป็นการวิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพทางสถิติมากที่สุดจนถึงปัจจุบัน Adam Riess หนึ่งในผู้ชนะรางวัลโนเบลประจำปี 2554 กล่าวว่า "การวิเคราะห์ Pantheon+ ครั้งล่าสุดนี้เป็นผลรวมของความพยายามอันอุตสาหะกว่าสองทศวรรษของนักสังเกตการณ์และนักทฤษฎีทั่วโลกในการถอดรหัสสาระสำคัญของเอกภพ" ฟิสิกส์สำหรับการค้นพบการเร่งการขยายตัวของเอกภพและศาสตราจารย์พิเศษ Bloomberg แห่งมหาวิทยาลัย Johns Hopkins (JHU) และสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศในเมืองบัลติมอร์ รัฐแมรี่แลนด์ รีสส์ยังเป็นสารส้มของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ซึ่งจบปริญญาเอกด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ อาชีพของเขาในด้านจักรวาลวิทยาของ Brout ย้อนไปถึงปีการศึกษาระดับปริญญาตรีที่ JHU ซึ่งเขาได้รับการสอนและแนะนำโดย Riess There Brout ทำงานร่วมกับนักศึกษาปริญญาเอกในขณะนั้นและที่ปรึกษาของ Riess Dan Scolnic ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ Duke University และผู้เขียนร่วมอีกคนหนึ่งในเอกสารชุดใหม่ เมื่อหลายปีก่อน Scolnic ได้พัฒนาการวิเคราะห์ Pantheon ดั้งเดิมของซูเปอร์โนวาประมาณ 1,000 ดวง ตอนนี้ Brout และ Scolnic และทีมงาน Pantheon+ ใหม่ของพวกเขาได้เพิ่มจุดข้อมูลซูเปอร์โนวาอีก 50 เปอร์เซ็นต์ใน Pantheon+ ควบคู่ไปกับการปรับปรุงเทคนิคการวิเคราะห์และระบุแหล่งที่มาของข้อผิดพลาด ซึ่งท้ายที่สุดแล้วให้ความแม่นยำเป็นสองเท่าของ Pantheon ดั้งเดิม "การก้าวกระโดดครั้งนี้ทั้งในด้านคุณภาพของชุดข้อมูลและในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่เป็นรากฐานนั้นจะเกิดขึ้นไม่ได้หากไม่มีทีมนักศึกษาและผู้ทำงานร่วมกันที่ทำงานร่วมกันอย่างขยันขันแข็งเพื่อปรับปรุงการวิเคราะห์ทุกด้าน" Brout กล่าว จากข้อมูลโดยรวม การวิเคราะห์ใหม่ระบุว่าร้อยละ 66.2 ของเอกภพแสดงออกเป็น พลังงานมืด โดยร้อยละ 33.8 ที่เหลือเป็นการรวมกันของสสารมืดและสสาร เพื่อให้ได้ความเข้าใจที่ครอบคลุมมากขึ้นเกี่ยวกับองค์ประกอบที่เป็นส่วนประกอบของเอกภพในยุคต่างๆ Brout และเพื่อนร่วมงานได้รวม Pantheon+ เข้ากับการวัดที่มีหลักฐานชัดเจน เป็นอิสระและเสริมกันอื่นๆ ของโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ และด้วยการวัดจากแสงแรกสุดใน จักรวาลพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล ผลลัพธ์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งของ Pantheon+ เกี่ยวข้องกับหนึ่งในเป้าหมายสูงสุดของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ นั่นคือ การตอกย้ำอัตราการขยายตัวในปัจจุบันของเอกภพ หรือที่เรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิล การรวมตัวอย่าง Pantheon+ กับข้อมูลจากความร่วมมือของ SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) ซึ่งนำโดย Riess ส่งผลให้เกิดการวัดอัตราการขยายตัวในปัจจุบันของเอกภพในท้องถิ่นที่เข้มงวดที่สุด Pantheon+ และ SH0ES ร่วมกันค้นหาค่าคงที่ของฮับเบิลที่ 73.4 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก โดยมีความไม่แน่นอนเพียง 1.3% ในอีกทางหนึ่ง สำหรับทุกๆ เมกะพาร์เซก หรือ 3.26 ล้านปีแสง การวิเคราะห์ประเมินว่าใน จักรวาลใกล้เคียง อวกาศนั้นขยายตัวมากกว่า160,000 ไมล์ต่อชั่วโมง อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์จากยุคประวัติศาสตร์ของเอกภพที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงทำนายเรื่องราวที่แตกต่างออกไป การวัดแสงแรกสุดของเอกภพ ซึ่งเป็นไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ เมื่อรวมกับแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน จะตรึงค่าคงที่ของฮับเบิลอย่างสม่ำเสมอในอัตราที่น้อยกว่าการสังเกตที่ถ่ายผ่านซูเปอร์โนวาประเภท Ia และเครื่องหมายทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์อื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ ความแตกต่างอย่างมากระหว่างวิธีการทั้งสองนี้เรียกว่าความตึงเครียดของฮับเบิล ชุดข้อมูล Pantheon+ และ SH0ES ใหม่ช่วยเพิ่มความตึงเครียดให้กับกล้องฮับเบิล อันที่จริง ความตึงเครียดได้ผ่านเกณฑ์ 5-sigma ที่สำคัญไปแล้ว (ประมาณ 1 ใน 1 ล้านที่เกิดขึ้นเนื่องจากโอกาสสุ่ม) ที่นักฟิสิกส์ใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างความบังเอิญทางสถิติที่เป็นไปได้กับสิ่งที่ต้องเข้าใจตามนั้น การเข้าถึงระดับสถิติใหม่นี้เน้นถึงความท้าทายสำหรับทั้งนักทฤษฎีและนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในการพยายามอธิบายความคลาดเคลื่อนคงที่ของกล้องฮับเบิล "เราคิดว่าน่าจะเป็นไปได้ที่จะพบเบาะแสในการแก้ปัญหาใหม่ๆ ในชุดข้อมูลของเรา แต่เรากลับพบว่าข้อมูลของเราตัดตัวเลือกเหล่านี้ออกไปมากมาย และความคลาดเคลื่อนที่ลึกซึ้งยังคงดื้อรั้นเช่นเดิม" Brout กล่าว . ผลลัพธ์ของ Pantheon+ สามารถช่วยชี้ให้เห็นถึงแนวทางแก้ไขความตึงเครียดของฮับเบิล "ทฤษฎีล่าสุดหลายทฤษฎีได้เริ่มชี้ไปที่ฟิสิกส์ใหม่ที่แปลกใหม่ในเอกภพในยุคแรกเริ่ม อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีที่ไม่ได้รับการยืนยันดังกล่าวจะต้องทนต่อกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ และความตึงเครียดของฮับเบิลยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ" โบรต์กล่าว โดยรวมแล้ว Pantheon+ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้มองย้อนกลับไปในประวัติศาสตร์ของจักรวาลอย่างครอบคลุม ซูเปอร์โนวาที่เก่าแก่ที่สุดและอยู่ไกลที่สุดในชุดข้อมูลนี้เปล่งประกายออกมาจาก 10,700 ล้านปีแสง ซึ่งหมายถึงตอนที่เอกภพมีอายุประมาณ 1 ใน 4 ของอายุปัจจุบัน ในยุคก่อนหน้านั้น สสารมืดและแรงโน้มถ่วงที่สัมพันธ์กันทำให้อัตราการขยายตัวของเอกภพอยู่ในการควบคุม สถานการณ์ดังกล่าวเปลี่ยนไปอย่างมากในอีกหลายพันล้านปีข้างหน้าเนื่องจากอิทธิพลของพลังงานมืดครอบงำสสารมืด ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาพลังงานมืดได้เหวี่ยงเนื้อหาของเอกภพออกจากกันและในอัตราที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ "ด้วยชุดข้อมูล Pantheon+ ที่รวมกันนี้ เราได้รับมุมมองที่แม่นยำของเอกภพตั้งแต่ตอนที่สสารมืดครอบงำจนถึงตอนที่เอกภพถูกครอบงำด้วยพลังงานมืด" Brout กล่าว "ชุดข้อมูลนี้เป็นโอกาสพิเศษที่จะได้เห็นพลังงานมืดเปิดและขับเคลื่อนวิวัฒนาการของจักรวาลในระดับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจนถึงเวลาปัจจุบัน" การศึกษาการเปลี่ยนแปลงนี้ในตอนนี้ด้วยหลักฐานทางสถิติที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น หวังว่าจะนำไปสู่ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติอันลึกลับของพลังงานมืด "Pantheon+ กำลังให้โอกาสที่ดีที่สุดแก่เราในการจำกัดพลังงานมืด ต้นกำเนิด และวิวัฒนาการของมัน" Brout กล่าว