Что скрывают 2087 сверхновых? Намеки на конец эпохи вечного расширения
NewsMakerСверхновые намекнули, что вечное расширение отменяется…
Понадобилось около 50 вспышек сверхновых, чтобы перевернуть современную космологию. В 1998 году группа исследователей, изучавших свет от сверхновых типа Ia — взрывающейся разновидности белых карликов, — объявила о неожиданном открытии: Вселенная не просто расширяется, но делает это с ускорением. Это привело к рождению концепции т.н. тёмной энергии — неведомой силы, ответственной за ускоренное расширение, — за открытие которой позже была вручена Нобелевская премия.
С тех пор по всему миру с помощью разных телескопов и методик было зафиксировано более 2000 сверхновых типа Ia. Однако объединять их результаты — дело непростое: методы сбора данных сильно различаются, и без выравнивания этих различий их сравнение больше похоже на сопоставление яблок с апельсинами.
Чтобы добиться согласованности данных и уточнить роль тёмной энергии, учёные из международного проекта Supernova Cosmology Project (SCP) при национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) создали крупнейшую в истории стандартизованную выборку сверхновых типа Ia. Этот массив получил название Union3.
Union3 включает 2 087 сверхновых из 24 различных наборов данных и охватывает более 7 миллиардов лет космической истории. Это более чем в 3,5 раза превышает объём предыдущего релиза Union2, опубликованного в 2010 году (557 объектов). Для приведения всех сверхновых к единой шкале исследователи анализировали их световые кривые — характерную последовательность яркости во времени, позволяющую оценить истинную светимость и откалибровать данные так, будто все они были получены при одних и тех же условиях.
Также учитывался красный сдвиг — показатель того, насколько свет от сверхновой сместился к красному участку спектра из-за расширения пространства. Поскольку яркость сверхновых предсказуема, их можно использовать как "стандартные свечи", чтобы точно измерять расстояния во Вселенной — аналогично тому, как можно оценить длину тёмного коридора по тому, насколько слабо горят идентичные свечи вдали.
Команда применила усовершенствованную статистическую методику — байесовскую иерархическую модель (Bayesian Hierarchical Model), которая способна учитывать частичную информацию и вероятности ошибок. Она позволяет включать в расчёт даже параметры, точные значения которых неизвестны, но находятся в пределах определённой неопределённости. Например, метод способен учесть возможное изменение пропускной способности фильтров телескопа со временем, что ранее было крайне сложно корректно учитывать.
Обновлённая модель не только повысила точность результатов, но и подготовила базу для добавления новых сверхновых. В ближайший год планируется интеграция ещё трёх наборов данных: один из них содержит сверхновые с малым красным смещением (т.е. более близкие к нам), а два других — с высоким, что позволит заглянуть ещё дальше в прошлое Вселенной.
"Наша задача — установить чёткую базу, прежде чем добавлять сотни сверхновых с малым красным смещением. Именно в этой зоне откалиброванные данные пока наименее надёжны", — пояснил соавтор статьи и физик лаборатории Беркли Грег Олдеринг, руководитель проекта Nearby Supernova Factory. — "Но теперь мы уверены в нашей калибровке как никогда прежде и с нетерпением ждём, какие новые данные принесут нам эти сверхновые".
Анализ, проведённый с использованием выборки Union3, неожиданно указал на то, что тёмная энергия может не быть постоянной — она, возможно, меняется со временем. Это наблюдение пока не имеет достаточной статистической силы, чтобы делать категоричные выводы, но оно совпадает с независимыми результатами, полученными с помощью инструмента Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), который использует другой подход — измерение структуры скоплений галактик (т.н. барионные акустические осцилляции, BAO).
Более того, сходные результаты были получены и в рамках анализа сверхновых, проводимого с участием данных проекта Dark Energy Survey (DES), также поддерживаемого Министерством энергетики США. Таким образом, уже несколько разных подходов начинают указывать в одном направлении.
"Учёные пока не впрыгивают от восторга — мы подавляем преждевременное воодушевление, ведь всё это может исчезнуть с приходом новых данных", — говорит Соль Перлмуттер, лауреат Нобелевской премии и соавтор новой работы, — "Но с другой стороны, все уже выпрямились в креслах. То, что два независимых метода показывают расхождение с моделью ΛCDM — это действительно захватывающе. Мы наконец подходим к точности, при которой можно серьёзно сравнивать конкурирующие теории тёмной энергии".
ΛCDM — это доминирующая модель современной космологии, где Λ (лямбда) представляет собой постоянную тёмную энергию, а CDM — холодную тёмную материю. В рамках этой модели тёмная энергия считается неизменной по силе во времени. Однако если она действительно ослабевает, как намекают данные, это может радикально изменить наше понимание будущего Вселенной: она может не расширяться вечно, а начать замедляться, остановиться — или даже схлопнуться.
"Тёмная энергия — это почти 70% всей энергии во Вселенной, именно она ответственна за её расширение. Если она ослабевает, это означает, что расширение может начать замедляться", — пояснил Дэвид Рубин, первый автор публикации, профессор Гавайского университета и ключевой участник проекта SCP. — "Будет ли Вселенная расширяться вечно, остановится или начнёт сжиматься? Всё зависит от этого хрупкого баланса между тёмной энергией и материей".
Соединение сверхновых и измерений BAO демонстрирует уникальный вклад национальной лаборатории: именно лаборатория Лоуренса Беркли обеспечила научную основу как для первого открытия ускоренного расширения Вселенной, так и для всех последующих попыток уточнения моделей тёмной энергии. Там же была инициирована и руководится коллаборация DESI, включающая более 70 научных организаций и использующая крупнейшие телескопы планеты для уточнения структуры ранней Вселенной.
Теперь, когда в ближайшее десятилетие ожидаются сотни тысяч новых сверхновых от обсерватории Веры Рубин (NSF/DOE) и космического телескопа Nancy Grace Roman (NASA), созданный аналитический фундамент позволит объединить наблюдения разных миссий. В совокупности с данными о реликтовом излучении (CMB) и структурой галактик, всё это даст человечеству шансы раскрыть истинную природу тёмной энергии — того самого механизма, который управляет судьбой всей Вселенной .
Понадобилось около 50 вспышек сверхновых, чтобы перевернуть современную космологию. В 1998 году группа исследователей, изучавших свет от сверхновых типа Ia — взрывающейся разновидности белых карликов, — объявила о неожиданном открытии: Вселенная не просто расширяется, но делает это с ускорением. Это привело к рождению концепции т.н. тёмной энергии — неведомой силы, ответственной за ускоренное расширение, — за открытие которой позже была вручена Нобелевская премия.
С тех пор по всему миру с помощью разных телескопов и методик было зафиксировано более 2000 сверхновых типа Ia. Однако объединять их результаты — дело непростое: методы сбора данных сильно различаются, и без выравнивания этих различий их сравнение больше похоже на сопоставление яблок с апельсинами.
Чтобы добиться согласованности данных и уточнить роль тёмной энергии, учёные из международного проекта Supernova Cosmology Project (SCP) при национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) создали крупнейшую в истории стандартизованную выборку сверхновых типа Ia. Этот массив получил название Union3.
Union3 включает 2 087 сверхновых из 24 различных наборов данных и охватывает более 7 миллиардов лет космической истории. Это более чем в 3,5 раза превышает объём предыдущего релиза Union2, опубликованного в 2010 году (557 объектов). Для приведения всех сверхновых к единой шкале исследователи анализировали их световые кривые — характерную последовательность яркости во времени, позволяющую оценить истинную светимость и откалибровать данные так, будто все они были получены при одних и тех же условиях.
Также учитывался красный сдвиг — показатель того, насколько свет от сверхновой сместился к красному участку спектра из-за расширения пространства. Поскольку яркость сверхновых предсказуема, их можно использовать как "стандартные свечи", чтобы точно измерять расстояния во Вселенной — аналогично тому, как можно оценить длину тёмного коридора по тому, насколько слабо горят идентичные свечи вдали.
Команда применила усовершенствованную статистическую методику — байесовскую иерархическую модель (Bayesian Hierarchical Model), которая способна учитывать частичную информацию и вероятности ошибок. Она позволяет включать в расчёт даже параметры, точные значения которых неизвестны, но находятся в пределах определённой неопределённости. Например, метод способен учесть возможное изменение пропускной способности фильтров телескопа со временем, что ранее было крайне сложно корректно учитывать.
Обновлённая модель не только повысила точность результатов, но и подготовила базу для добавления новых сверхновых. В ближайший год планируется интеграция ещё трёх наборов данных: один из них содержит сверхновые с малым красным смещением (т.е. более близкие к нам), а два других — с высоким, что позволит заглянуть ещё дальше в прошлое Вселенной.
"Наша задача — установить чёткую базу, прежде чем добавлять сотни сверхновых с малым красным смещением. Именно в этой зоне откалиброванные данные пока наименее надёжны", — пояснил соавтор статьи и физик лаборатории Беркли Грег Олдеринг, руководитель проекта Nearby Supernova Factory. — "Но теперь мы уверены в нашей калибровке как никогда прежде и с нетерпением ждём, какие новые данные принесут нам эти сверхновые".
Анализ, проведённый с использованием выборки Union3, неожиданно указал на то, что тёмная энергия может не быть постоянной — она, возможно, меняется со временем. Это наблюдение пока не имеет достаточной статистической силы, чтобы делать категоричные выводы, но оно совпадает с независимыми результатами, полученными с помощью инструмента Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), который использует другой подход — измерение структуры скоплений галактик (т.н. барионные акустические осцилляции, BAO).
Более того, сходные результаты были получены и в рамках анализа сверхновых, проводимого с участием данных проекта Dark Energy Survey (DES), также поддерживаемого Министерством энергетики США. Таким образом, уже несколько разных подходов начинают указывать в одном направлении.
"Учёные пока не впрыгивают от восторга — мы подавляем преждевременное воодушевление, ведь всё это может исчезнуть с приходом новых данных", — говорит Соль Перлмуттер, лауреат Нобелевской премии и соавтор новой работы, — "Но с другой стороны, все уже выпрямились в креслах. То, что два независимых метода показывают расхождение с моделью ΛCDM — это действительно захватывающе. Мы наконец подходим к точности, при которой можно серьёзно сравнивать конкурирующие теории тёмной энергии".
ΛCDM — это доминирующая модель современной космологии, где Λ (лямбда) представляет собой постоянную тёмную энергию, а CDM — холодную тёмную материю. В рамках этой модели тёмная энергия считается неизменной по силе во времени. Однако если она действительно ослабевает, как намекают данные, это может радикально изменить наше понимание будущего Вселенной: она может не расширяться вечно, а начать замедляться, остановиться — или даже схлопнуться.
"Тёмная энергия — это почти 70% всей энергии во Вселенной, именно она ответственна за её расширение. Если она ослабевает, это означает, что расширение может начать замедляться", — пояснил Дэвид Рубин, первый автор публикации, профессор Гавайского университета и ключевой участник проекта SCP. — "Будет ли Вселенная расширяться вечно, остановится или начнёт сжиматься? Всё зависит от этого хрупкого баланса между тёмной энергией и материей".
Соединение сверхновых и измерений BAO демонстрирует уникальный вклад национальной лаборатории: именно лаборатория Лоуренса Беркли обеспечила научную основу как для первого открытия ускоренного расширения Вселенной, так и для всех последующих попыток уточнения моделей тёмной энергии. Там же была инициирована и руководится коллаборация DESI, включающая более 70 научных организаций и использующая крупнейшие телескопы планеты для уточнения структуры ранней Вселенной.
Теперь, когда в ближайшее десятилетие ожидаются сотни тысяч новых сверхновых от обсерватории Веры Рубин (NSF/DOE) и космического телескопа Nancy Grace Roman (NASA), созданный аналитический фундамент позволит объединить наблюдения разных миссий. В совокупности с данными о реликтовом излучении (CMB) и структурой галактик, всё это даст человечеству шансы раскрыть истинную природу тёмной энергии — того самого механизма, который управляет судьбой всей Вселенной .