Le esplosioni di supernova rivelano dettagli precisi sull’energia oscura e sulla materia oscura

Supernova di tipo Ia

Rappresentazione artistica di due stelle nane bianche che si fondono e creano una supernova di tipo Ia. Credito: ESO/L. strada

Un’analisi di oltre due decenni di esplosioni di supernova rafforza in modo convincente le moderne teorie cosmologiche e rinvigorisce gli sforzi per rispondere a domande fondamentali.

Una nuova potente analisi è stata eseguita dagli astrofisici che pone i limiti più precisi mai visti alla composizione e all’evoluzione dell’universo. Con questa analisi, soprannominata Pantheon+, i cosmologi si trovano a un bivio.

Pantheon+ scopre in modo convincente che il cosmo è composto per circa due terzi da energia oscura e un terzo da materia, prevalentemente sotto forma di materia oscura, e si sta espandendo a un ritmo accelerato negli ultimi miliardi di anni. Tuttavia, Pantheon+ cementa anche un grande disaccordo sul ritmo di quell’espansione che deve ancora essere risolto.

Mettendo le teorie cosmologiche moderne prevalenti, note come Modello Standard della Cosmologia, su basi probatorie e statistiche ancora più solide, Pantheon+ chiude ulteriormente la porta a strutture alternative che tengono conto dell’energia oscura e della materia oscura. Entrambi sono fondamenti del Modello Standard della Cosmologia, ma devono ancora essere rilevati direttamente. Si collocano tra i più grandi misteri del modello. Seguendo i risultati del Pantheon+, i ricercatori possono ora perseguire test di osservazione più precisi e affinare spiegazioni per il cosmo apparente.

G299 Supernova di tipo Ia

G299 è stato lasciato da una particolare classe di supernovae chiamata Tipo Ia. Credito: NASA/CXC/U.Texas

“Con questi risultati del Pantheon+, siamo in grado di imporre i vincoli più precisi alla dinamica e alla storia dell’universo fino ad oggi”, afferma Dillon Brout, Einstein Fellow presso il Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian. “Abbiamo esaminato i dati e ora possiamo dire con più sicurezza che mai come l’universo si è evoluto nel corso degli eoni e che le attuali migliori teorie sull’energia oscura e sulla materia oscura sono forti”.

Brout è l’autore principale di una serie di articoli che descrivono la nuova analisi Pantheon+, pubblicati congiuntamente il 19 ottobre in un numero speciale di Il diario astrofisico.

Pantheon+ si basa sul più grande set di dati del suo genere, che comprende più di 1.500 esplosioni stellari chiamate supernove di tipo Ia. Queste esplosioni luminose si verificano quando[{” 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 scoperta nel 1998 della crescita accelerata dell’universo è stata grazie a uno studio delle supernove di tipo Ia in questo modo. Gli scienziati attribuiscono l’espansione a un’energia invisibile, quindi soprannominata energia oscura, inerente al tessuto dell’universo stesso. I successivi decenni di lavoro hanno continuato a compilare set di dati sempre più grandi, rivelando supernove in una gamma ancora più ampia di spazio e tempo, e Pantheon+ le ha ora riunite nell’analisi statisticamente più solida fino ad oggi.

“In molti modi, quest’ultima analisi Pantheon+ è il culmine di oltre due decenni di diligenti sforzi da parte di osservatori e teorici di tutto il mondo nel decifrare l’essenza del cosmo”, afferma Adam Riess, uno dei vincitori del Premio Nobel 2011 in Fisica per la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo e del Bloomberg Distinguished Professor presso la Johns Hopkins University (JHU) e lo Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland. Riess è anche un allume della Harvard University, con un dottorato di ricerca in astrofisica.

“Con questo set di dati combinato Pantheon+, otteniamo una visione precisa dell’universo dal momento in cui era dominato dalla materia oscura fino a quando l’universo è stato dominato dall’energia oscura”. — Dillon Brout

La carriera di Brout in cosmologia risale ai suoi anni universitari alla JHU, dove è stato istruito e consigliato da Riess. Lì Brout ha lavorato con l’allora dottorando e consigliere di Riess Dan Scolnic, che ora è assistente professore di fisica alla Duke University e un altro coautore della nuova serie di articoli.

Diversi anni fa, Scolnic ha sviluppato l’analisi originale del Pantheon di circa 1.000 supernove.

Ora, Brout e Scolnic e il loro nuovo team Pantheon+ hanno aggiunto circa il 50% in più di punti dati sulle supernove nel Pantheon+, insieme a miglioramenti nelle tecniche di analisi e nell’affrontare potenziali fonti di errore, il che alla fine ha prodotto il doppio della precisione del Pantheon originale.

“Questo salto sia nella qualità del set di dati che nella nostra comprensione della fisica alla base non sarebbe stato possibile senza un team stellare di studenti e collaboratori che lavorava diligentemente per migliorare ogni aspetto dell’analisi”, afferma Brout.

Prendendo i dati nel loro insieme, la nuova analisi sostiene che il 66,2% dell’universo si manifesta come energia oscura, mentre il restante 33,8% è una combinazione di materia oscura e materia. Per arrivare a una comprensione ancora più completa delle componenti costitutive dell’universo in epoche diverse, Brout e colleghi hanno combinato il Pantheon+ con altre misure fortemente evidenziate, indipendenti e complementari della struttura su larga scala dell’universo e con misurazioni dalla prima luce nell’universo, lo sfondo cosmico a microonde.

“Con questi risultati del Pantheon+, siamo in grado di imporre i vincoli più precisi alla dinamica e alla storia dell’universo fino ad oggi”. — Dillon Brout

Un altro risultato chiave del Pantheon+ si riferisce a uno degli obiettivi principali della cosmologia moderna: definire l’attuale tasso di espansione dell’universo, noto come costante di Hubble. Mettendo in comune il campione Pantheon+ con i dati della collaborazione SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), guidata da Riess, si ottiene la misurazione locale più rigorosa dell’attuale tasso di espansione dell’universo.

Pantheon+ e SH0ES insieme trovano una costante di Hubble di 73,4 chilometri al secondo per megaparsec con solo l’1,3% di incertezza. Detto in altro modo, per ogni megaparsec, o 3,26 milioni di anni luce, l’analisi stima che nell’universo vicino, lo spazio stesso si stia espandendo a più di 160.000 miglia orarie.

Tuttavia, le osservazioni di un’epoca completamente diversa della storia dell’universo predicono una storia diversa. Le misurazioni della prima luce dell’universo, il fondo cosmico a microonde, quando combinate con l’attuale Modello standard di cosmologia, fissano costantemente la costante di Hubble a una velocità significativamente inferiore rispetto alle osservazioni effettuate tramite supernove di tipo Ia e altri marcatori astrofisici. Questa notevole discrepanza tra le due metodologie è stata definita la tensione di Hubble.

I nuovi set di dati Pantheon+ e SH0ES aumentano questa tensione di Hubble. In effetti, la tensione ha ora superato l’importante soglia di 5 sigma (circa una probabilità su un milione di insorgere a causa di un caso casuale) che i fisici usano per distinguere tra possibili casualità statistiche e qualcosa che deve essere di conseguenza compreso. Il raggiungimento di questo nuovo livello statistico evidenzia la sfida sia per i teorici che per gli astrofisici di provare a spiegare la costante discrepanza di Hubble.

“Pensavamo che sarebbe stato possibile trovare indizi per una nuova soluzione a questi problemi nel nostro set di dati, ma invece stiamo scoprendo che i nostri dati escludono molte di queste opzioni e che le profonde discrepanze rimangono più ostinate che mai”, afferma Brout .

I risultati del Pantheon+ potrebbero aiutare a indicare dove si trova la soluzione alla tensione di Hubble. “Molte teorie recenti hanno iniziato a puntare a una nuova fisica esotica nell’universo primordiale, tuttavia, tali teorie non verificate devono resistere al processo scientifico e la tensione di Hubble continua a essere una sfida importante”, afferma Brout.

Nel complesso, Pantheon+ offre agli scienziati uno sguardo completo indietro attraverso gran parte della storia cosmica. Le prime e più lontane supernove nel set di dati brillano da 10,7 miliardi di anni luce di distanza, ovvero da quando l’universo aveva circa un quarto della sua età attuale. In quell’era precedente, la materia oscura e la gravità associata tenevano sotto controllo il tasso di espansione dell’universo. Tale stato di cose cambiò radicalmente nel corso dei successivi miliardi di anni, poiché l’influenza dell’energia oscura sopraffece quella della materia oscura. Da allora l’energia oscura ha allontanato i contenuti del cosmo a una velocità sempre maggiore.

“Con questo set di dati Pantheon+ combinato, otteniamo una visione precisa dell’universo dal momento in cui era dominato dalla materia oscura fino a quando l’universo è stato dominato dall’energia oscura”, afferma Brout. “Questo set di dati è un’opportunità unica per vedere l’energia oscura accendersi e guidare l’evoluzione del cosmo sulle più grandi scale nel tempo presente”.

Si spera che studiare questo cambiamento ora con prove statistiche ancora più forti porti a nuove intuizioni sulla natura enigmatica dell’energia oscura.

“Pantheon+ ci sta dando la nostra migliore possibilità di datare la limitazione dell’energia oscura, le sue origini e la sua evoluzione”, afferma Brout.

Riferimento: “The Pantheon+ Analysis: Cosmological Constraints” di Dillon Brout, Dan Scolnic, Brodie Popovic, Adam G. Riess, Anthony Carr, Joe Zuntz, Rick Kessler, Tamara M. Davis, Samuel Hinton, David Jones, W. D’Arcy Kenworthy, Erik R. Peterson, Khaled Said, Georgie Taylor, Noor Ali, Patrick Armstrong, Pranav Charvu, Arianna Dwomoh, Cole Meldorf, Antonella Palmese, Helen Qu, Benjamin M. Rose, Bruno Sanchez, Christopher W. Stubbs, Maria Vincenzi, Charlotte M. Wood, Peter J. Brown, Rebecca Chen, Ken Chambers, David A. Coulter, Mi Dai, Georgios Dimitriadis, Alexei V. Filippenko, Ryan J. Foley, Saurabh W. Jha, Lisa Kelsey, Robert P. Kirshner, Anais Möller, Jessie Muir, Seshadri Nadathur, Yen-Chen Pan, Armin Rest, Cesar Rojas-Bravo, Masao Sako, Matthew R. Siebert, Mat Smith, Benjamin E. Stahl e Phil Wiseman, 19 ottobre 2022, Il diario astrofisico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ac8e04

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