La comptabilité la plus précise à ce jour de l’énergie noire et de la matière noire

Pantheon+ conclut de manière convaincante que le cosmos est composé d’environ deux tiers d’énergie noire et d’un tiers de matière – principalement sous forme de matière noire – et se développe à un rythme accéléré au cours des derniers milliards d’années. Cependant, Pantheon + cimente également un désaccord majeur sur le rythme de cette expansion qui n’a pas encore été résolu.

En plaçant les théories cosmologiques modernes dominantes, connues sous le nom de modèle standard de cosmologie, sur des bases probantes et statistiques encore plus solides, Pantheon+ ferme davantage la porte à des cadres alternatifs prenant en compte l’énergie noire et la matière noire. Les deux sont les fondements du modèle standard de cosmologie mais n’ont pas encore été directement détectés et se classent parmi les plus grands mystères du modèle. Suite aux résultats de Pantheon +, les chercheurs peuvent désormais poursuivre des tests d’observation plus précis et affiner les explications du cosmos ostensible.

“Avec ces résultats de Pantheon+, nous sommes en mesure d’imposer les contraintes les plus précises sur la dynamique et l’histoire de l’univers à ce jour”, déclare Dillon Brout, boursier Einstein au Centre d’astrophysique | Harvard & 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 éons et que les meilleures théories actuelles sur l’énergie noire et la matière noire tiennent bon.”

Brout est l’auteur principal d’une série d’articles décrivant la nouvelle analyse Panthéon+, publiés conjointement aujourd’hui dans un numéro spécial de Le Journal Astrophysique.

Pantheon+ est basé sur le plus grand ensemble de données de ce type, comprenant plus de 1 500 explosions stellaires appelées supernovae de type Ia. Ces explosions lumineuses se produisent lorsque des étoiles naines blanches – des restes d’étoiles comme notre Soleil – accumulent trop de masse et subissent une réaction thermonucléaire incontrôlable. Parce que les supernovae de type Ia éclipsent des galaxies entières, les détonations stellaires peuvent être aperçues à des distances supérieures à 10 milliards d’années-lumière, ou remonter à environ les trois quarts de l’âge total de l’univers. Étant donné que les supernovae flamboient avec des luminosités intrinsèques presque uniformes, les scientifiques peuvent utiliser la luminosité apparente des explosions, qui diminue avec la distance, ainsi que des mesures de décalage vers le rouge comme marqueurs de temps et d’espace. Cette information, à son tour, révèle à quelle vitesse l’univers se dilate à différentes époques, qui est ensuite utilisée pour tester les théories des composants fondamentaux de l’univers.

La découverte révolutionnaire en 1998 de la croissance accélérée de l’univers était grâce à une étude des supernovae de type Ia de cette manière. Les scientifiques attribuent l’expansion à une énergie invisible, donc surnommée énergie noire, inhérente au tissu de l’univers lui-même. Les décennies de travail suivantes ont continué à compiler des ensembles de données toujours plus volumineux, révélant des supernovae dans une gamme encore plus large d’espace et de temps, et Pantheon + les a maintenant réunies dans l’analyse la plus robuste statistiquement à ce jour.

“À bien des égards, cette dernière analyse Panthéon+ est l’aboutissement de plus de deux décennies d’efforts diligents d’observateurs et de théoriciens du monde entier pour déchiffrer l’essence du cosmos”, déclare Adam Riess, l’un des lauréats du prix Nobel 2011 de Physique pour la découverte de l’accélération de l’expansion de l’univers et professeur émérite Bloomberg à l’Université Johns Hopkins (JHU) et au Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland. Riess est également un ancien de l’Université de Harvard, titulaire d’un doctorat en astrophysique.

La propre carrière de Brout en cosmologie remonte à ses années de premier cycle à JHU, où il a été enseigné et conseillé par Riess. Là, Brout a travaillé avec Dan Scolnic, alors étudiant au doctorat et conseiller de Riess, 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, Scolnic a développé l’analyse originale du Panthéon d’environ 1 000 supernovae.

Aujourd’hui, Brout et Scolnic et leur nouvelle équipe Pantheon+ ont ajouté environ 50 % de points de données de supernovae supplémentaires dans Pantheon+, associés à des améliorations des techniques d’analyse et à la résolution des sources d’erreur potentielles, ce qui a finalement permis d’obtenir une précision deux fois supérieure à celle du Panthéon d’origine.

“Ce saut dans la qualité de l’ensemble de données et dans notre compréhension de la physique qui le sous-tend n’aurait pas été possible sans une équipe stellaire d’étudiants et de collaborateurs travaillant avec diligence pour améliorer chaque facette de l’analyse”, déclare Brout.

En prenant les données dans leur ensemble, la nouvelle analyse indique que 66,2% de l’univers se manifeste sous forme d’énergie noire, les 33,8% restants étant une combinaison de matière noire et de matière. Pour parvenir à une compréhension encore plus complète des composants constitutifs de l’univers à différentes époques, Brout et ses collègues ont combiné Panthéon + avec d’autres mesures fortement mises en évidence, indépendantes et complémentaires de la structure à grande échelle de l’univers et avec des mesures de la première lumière de l’univers. univers, le fond cosmique de micro-ondes.

Un autre résultat clé de Pantheon+ concerne l’un des objectifs primordiaux de la cosmologie moderne : déterminer le taux d’expansion actuel de l’univers, connu sous le nom de constante de Hubble. La mise en commun de l’échantillon Panthéon + avec les données de la collaboration SH0ES (Supernova H0 pour l’équation d’état), dirigée par Riess, aboutit à la mesure locale la plus stricte du taux d’expansion actuel de l’univers.

Pantheon+ et SH0ES trouvent ensemble une 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 milles à l’heure.

Cependant, les observations d’une époque entièrement différente de l’histoire de l’univers prédisent une histoire différente. Les mesures de la première lumière de l’univers, le fond cosmique micro-ondes, lorsqu’elles sont combinées avec le modèle standard actuel de cosmologie, fixent systématiquement la constante de Hubble à un taux nettement inférieur aux observations prises via les supernovae de type Ia et d’autres marqueurs astrophysiques. Cet écart considérable entre les deux méthodologies a été appelé la tension de Hubble.

Les nouveaux ensembles de données Pantheon + et SH0ES augmentent cette tension Hubble. En fait, la tension a maintenant dépassé le seuil important de 5 sigma (environ une chance sur un million d’apparaître en raison du hasard) que les physiciens utilisent pour faire la distinction entre d’éventuels hasards statistiques et quelque chose qui doit donc être compris. Atteindre ce nouveau niveau statistique met en évidence le défi pour les théoriciens et les astrophysiciens d’essayer d’expliquer l’écart constant de Hubble.

“Nous pensions qu’il serait possible de trouver des indices sur une nouvelle solution à ces problèmes dans notre ensemble de données, mais au lieu de cela, nous constatons que nos données excluent bon nombre de ces options et que les divergences profondes restent aussi tenaces que jamais”, déclare Brout. .

Les résultats du Panthéon + pourraient aider à indiquer où se trouve la solution à la tension de Hubble. “De nombreuses théories récentes ont commencé à pointer vers une nouvelle physique exotique dans le tout premier univers, mais ces théories non vérifiées doivent résister au processus scientifique et la tension de Hubble continue d’être un défi majeur”, déclare Brout.

Dans l’ensemble, Pantheon+ offre aux scientifiques un aperçu complet d’une grande partie de l’histoire cosmique. Les supernovae les plus anciennes et les plus éloignées de l’ensemble de données brillent à 10,7 milliards d’années-lumière, c’est-à-dire à partir du moment où 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. Cet état de choses a radicalement changé au cours des milliards d’années qui ont suivi, l’influence de l’énergie noire ayant dépassé celle de la matière noire. L’énergie noire a depuis dispersé le contenu du cosmos de plus en plus loin et à un rythme toujours croissant.

“Avec cet ensemble de données Panthéon+ combiné, nous obtenons une vue précise de l’univers depuis le moment où il était dominé par la matière noire jusqu’au moment où l’univers est devenu dominé par l’énergie noire”, explique Brout. “Cet ensemble de données est une opportunité unique de voir l’énergie noire s’activer et de conduire l’évolution du cosmos à la plus grande échelle à travers le temps présent.”

L’étude de ce changement maintenant avec des preuves statistiques encore plus solides conduira, espérons-le, à de nouvelles connaissances sur la nature énigmatique de l’énergie noire.

“Pantheon+ nous donne notre meilleure chance à ce jour de contraindre l’énergie noire, ses origines et son évolution”, déclare Brout.