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Le esplosioni di supernova rivelano dettagli precisi dell’energia oscura e della materia oscura

Supernova di tipo Ia

Rappresentazione artistica di due stelle nane bianche che si uniscono e producono una supernova di tipo Ia. Credito fotografico: ESO/L. Calçada

Un’analisi delle esplosioni di supernova nell’arco di più di due decenni rafforza in modo convincente le moderne teorie cosmologiche e rivitalizza gli sforzi per rispondere a domande fondamentali.

Gli astrofisici hanno eseguito una nuova potente analisi che pone i limiti più precisi alla composizione e all’evoluzione dell’Universo. I cosmologi sono a un bivio con questa analisi, nota come Pantheon+.

Pantheon+ afferma in modo convincente che il cosmo è costituito per circa due terzi da energia oscura e per un terzo da materia, principalmente sotto forma di materia oscura, e si è espanso a un ritmo accelerato negli ultimi miliardi di anni. Tuttavia, Pantheon+ cementa anche un grande disaccordo sul ritmo di questa espansione che deve ancora essere risolto.

Posizionando le teorie cosmologiche moderne dominanti conosciute come il Modello Standard della Cosmologia su una base di prove e statistiche ancora più solide, Pantheon+ chiude la porta a strutture alternative che tengano conto dell’energia oscura e della materia oscura. Entrambi sono pietre miliari del Modello Standard della cosmologia, ma devono ancora essere scoperti direttamente. Sono tra i più grandi misteri del modello. Basandosi sui risultati del Pantheon+, i ricercatori possono ora condurre test di osservazione più accurati e perfezionare le spiegazioni per il presunto cosmo.

G299 Supernova di tipo Ia

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

“Con questi risultati del Pantheon+, siamo in grado di vincolare la dinamica e la storia dell’Universo fino ad oggi nel modo più preciso possibile”, 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 sia evoluto nel corso degli eoni e che le attuali migliori teorie sull’energia oscura e sulla materia oscura valgono”.

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 include più di 1.500 esplosioni stellari note come 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 rivoluzionaria della crescita accelerata dell’Universo nel 1998 è stata dovuta allo studio delle supernove di tipo Ia in questo modo. Gli scienziati attribuiscono l’espansione a un’energia invisibile, quindi chiamata energia oscura, inerente alla struttura dell’universo stesso. Nei decenni successivi sono stati compilati set di dati sempre più grandi, rivelando supernove su uno spazio e un intervallo di tempo ancora più ampio, e Pantheon+ li ha ora riuniti nell’analisi statisticamente più solida.

“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 per svelare l’essenza del cosmo”, afferma Adam Riess, uno dei vincitori del Premio Nobel per la fisica 2011 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 laureato all’Università di Harvard e ha un dottorato di ricerca in astrofisica.

“Questo set di dati combinato Pantheon+ ci offre una visione accurata dell’universo dal momento in cui era dominato dalla materia oscura al momento in cui l’universo era dominato dall’energia oscura.” — Dillon Brout

La carriera di Brout in cosmologia risale ai suoi anni da studente alla JHU, dove gli fu insegnato e consigliato da Riess. Lì, Brout ha lavorato con l’allora studente laureato e consulente di Riess Dan Scolnic, che ora è assistente professore di fisica alla Duke University e un altro coautore della nuova serie di articoli.

Alcuni 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 di supernovae a Pantheon+, insieme a miglioramenti nelle tecniche di analisi e nell’affrontare potenziali fonti di errore, ottenendo in definitiva una precisione doppia rispetto al Pantheon originale.

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

Guardando i dati nel loro insieme, la nuova analisi dice 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 dell’Universo in epoche diverse, Brout e colleghi hanno combinato il Pantheon+ con altre misurazioni fortemente supportate, indipendenti e complementari della struttura su larga scala dell’Universo e con misurazioni dalla prima luce al Universo, lo sfondo cosmico a microonde.

“Con questi risultati del Pantheon+, siamo in grado di vincolare le dinamiche e la storia dell’universo nel modo più preciso fino ad oggi.” — Dillon Brout

Un altro importante risultato del Pantheon+ riguarda uno degli obiettivi primari della cosmologia moderna: determinare l’attuale tasso di espansione dell’universo, noto come costante di Hubble. Unendo il campione Pantheon+ con i dati della collaborazione SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State) guidata da von Riess si ottiene la misurazione locale più rigorosa dell’attuale tasso di espansione dell’Universo.

Insieme, Pantheon+ e SH0ES trovano una costante di Hubble di 73,4 chilometri al secondo per megaparsec con solo l’1,3% di incertezza. In altre parole, per ogni megaparsec, o 3,26 milioni di anni luce, l’analisi stima che lo spazio si stia espandendo a più di 160.000 miglia orarie, anche nel vicino Universo.

Tuttavia, le osservazioni di un’epoca molto diversa nella storia dell’universo predicono una storia diversa. Le misurazioni della prima luce nell’Universo, il fondo cosmico a microonde, combinate con l’attuale modello cosmologico standard, fissano costantemente la costante di Hubble a una velocità significativamente più lenta rispetto alle osservazioni effettuate su supernove di tipo Ia e altri marcatori astrofisici. Questa significativa discrepanza tra i due metodi è stata soprannominata la tensione di Hubble.

I nuovi set di dati Pantheon+ e SH0ES amplificano questa tensione di Hubble. In effetti, la tensione ha ora superato l’importante soglia di 5 sigma (circa una possibilità su un milione che si verifichi per caso) che i fisici usano per distinguere tra un possibile colpo di fortuna statistico e qualcosa che deve essere compreso di conseguenza. Il raggiungimento di questo nuovo livello statistico sottolinea la sfida per teorici e astrofisici di spiegare la discrepanza nella costante di Hubble.

“Pensavamo che potesse essere possibile trovare prove di una nuova soluzione a questi problemi nel nostro set di dati, ma invece scopriamo che i nostri dati escludono molte di queste opzioni e che le profonde discrepanze rimangono persistenti come sempre”, afferma Bread.

I risultati del Pantheon+ potrebbero aiutare a individuare la soluzione alla tensione di Hubble. “Molte teorie recenti indicano una nuova fisica esotica nell’Universo primordiale, ma tali teorie non confermate devono resistere al processo scientifico e la tensione di Hubble rimane una sfida importante”, afferma Brout.

Nel complesso, Pantheon+ offre agli scienziati uno sguardo completo a gran parte della storia cosmica. Le prime e più lontane supernove nel set di dati brillano da una distanza di 10,7 miliardi di anni luce, quando l’Universo aveva circa un quarto della sua età attuale. In questa era precedente, la materia oscura e la gravità associata tenevano sotto controllo il tasso di espansione dell’universo. Questo stato di cose è cambiato radicalmente nel corso dei successivi miliardi di anni, poiché l’influenza dell’energia oscura ha sopraffatto quella della materia oscura. Da allora, l’energia oscura ha scagliato il contenuto del cosmo sempre più lontano a velocità sempre maggiori.

“Con questo set di dati Pantheon+ combinato, otteniamo una visione accurata dell’universo dal momento in cui era dominato dalla materia oscura al momento in cui l’universo era dominato dall’energia oscura”, afferma Brout. “Questo set di dati è un’opportunità unica per vedere come l’energia oscura si sta accendendo e alimentando l’evoluzione del cosmo sulle scale più grandi fino ai giorni nostri”.

Studiare questo cambiamento ora, con prove statistiche ancora più forti, si spera porti a nuove intuizioni sulla natura enigmatica dell’energia oscura.

“Il Pantheon+ ci offre la nostra migliore possibilità di limitare l’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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