Kosmologen hebben een manier gevonden om de nauwkeurigheid van het meten van afstanden tot supernova-explosies te verdubbelen - een van hun beproefde instrumenten voor het bestuderen van de mysterieuze donkere energie die ervoor zorgt dat het universum steeds sneller uitdijt. De resultaten van de Near Supernova Factory (SNfactory) samenwerking, geleid door Greg Aldering van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), zullen wetenschappers in staat stellen donkere energie te bestuderen met sterk verbeterde precisie en nauwkeurigheid, en bieden een krachtige kruiscontrole van de techniek over grote afstanden en in de tijd. De bevindingen zullen ook centraal staan ​​in belangrijke komende kosmologische experimenten waarbij nieuwe grond- en ruimtetelescopen zullen worden gebruikt om alternatieve verklaringen van donkere energie te testen.

Twee artikelen gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift deze bevindingen melden, met Kyle Boone als hoofdauteur. Momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Washington, Boone is een voormalig afgestudeerde student van Nobelprijswinnaar Saul Perlmutter, de Berkeley Lab senior wetenschapper en UC Berkeley professor die een van de teams leidde die oorspronkelijk donkere energie ontdekten. Perlmutter was ook co-auteur van beide onderzoeken.

Supernova's werden in 1998 gebruikt om de verrassende ontdekking te doen dat de uitdijing van het heelal versnelt, in plaats van te vertragen zoals verwacht. Deze versnelling - toegeschreven aan de donkere energie die tweederde van alle energie in het universum uitmaakt - is sindsdien bevestigd door een verscheidenheid aan onafhankelijke technieken en door meer gedetailleerde studies van supernova's.

De ontdekking van donkere energie berustte op het gebruik van een bepaalde klasse supernova's, Typ Ia. Deze supernova's exploderen altijd met bijna dezelfde intrinsieke maximale helderheid. Omdat de waargenomen maximale helderheid van de supernova wordt gebruikt om de afstand af te leiden, de kleine resterende variaties in de intrinsieke maximale helderheid beperkten de precisie waarmee donkere energie kon worden getest. Ondanks 20 jaar van verbeteringen door vele groepen, supernova-studies van donkere energie zijn tot nu toe beperkt gebleven door deze variaties.

Verviervoudiging van het aantal supernova's

De nieuwe resultaten die door de SNfactory zijn aangekondigd, zijn afkomstig van een meerjarig onderzoek dat volledig is gewijd aan het vergroten van de precisie van kosmologische metingen die met supernova's worden gedaan. Meting van donkere energie vereist vergelijkingen van de maximale helderheid van verre supernova's op miljarden lichtjaren afstand met die van nabije supernova's die "slechts" 300 miljoen lichtjaar verwijderd zijn. Het team heeft honderden van dergelijke nabije supernova's tot in de kleinste details bestudeerd. Elke supernova werd een aantal keren gemeten, met tussenpozen van enkele dagen. Elke meting onderzocht het spectrum van de supernova, het registreren van de intensiteit ervan over het golflengtebereik van zichtbaar licht. Een instrument op maat gemaakt voor dit onderzoek, de SuperNova integraalveldspectrometer, geïnstalleerd bij de 2,2-meter telescoop van de Universiteit van Hawaï in Maunakea, werd gebruikt om de spectra te meten.

"We hebben lang het idee gehad dat als de fysica van de explosie van twee supernova's hetzelfde zou zijn, hun maximale helderheid zou hetzelfde zijn. Met behulp van de Near Supernova Factory-spectra als een soort CAT-scan door de supernova-explosie, we zouden dit idee kunnen testen, ’ zei Perlmutter.

Inderdaad, een aantal jaar geleden, natuurkundige Hannah Fakhouri, toen een afgestudeerde student die bij Perlmutter werkte, een ontdekkingssleutel gemaakt voor de resultaten van vandaag. Kijkend naar een veelheid aan spectra die door de SNfactory zijn gemaakt, vond ze dat in een groot aantal gevallen, de spectra van twee verschillende supernova's zagen er bijna identiek uit. Onder de ongeveer 50 supernova's, sommigen waren vrijwel identieke tweelingen. Toen de kronkelige spectra van een tweeling over elkaar heen werden gelegd, voor het oog was er maar een enkel spoor. De huidige analyse bouwt voort op deze waarneming om het gedrag van supernova's te modelleren in de periode rond de tijd van hun maximale helderheid.

Het nieuwe werk verviervoudigt bijna het aantal supernova's dat in de analyse is gebruikt. Dit maakte de steekproef groot genoeg om machine learning-technieken toe te passen om deze tweelingen te identificeren, wat leidde tot de ontdekking dat Type Ia supernova-spectra op slechts drie manieren variëren. De intrinsieke helderheid van de supernova's hangt ook voornamelijk af van deze drie waargenomen verschillen, waardoor het mogelijk is om supernova-afstanden te meten met een opmerkelijke nauwkeurigheid van ongeveer 3%.

Net zo belangrijk, deze nieuwe methode heeft geen last van de vooroordelen die eerdere methoden hadden, gezien bij het vergelijken van supernova's in verschillende soorten sterrenstelsels. Omdat nabije sterrenstelsels iets anders zijn dan verre sterrenstelsels, er was ernstige bezorgdheid dat een dergelijke afhankelijkheid verkeerde metingen zou opleveren bij de meting van donkere energie. Nu kan deze zorg aanzienlijk worden verminderd door met deze nieuwe techniek verre supernova's te meten.

Bij het beschrijven van dit werk, Boone merkte op, "Conventionele meting van supernova-afstanden maakt gebruik van lichtcurven - beelden die in verschillende kleuren zijn genomen terwijl een supernova helderder en vervaagt. In plaats daarvan, we gebruikten een spectrum van elke supernova. Deze zijn veel gedetailleerder, en met machine learning-technieken werd het toen mogelijk om het complexe gedrag te onderscheiden dat essentieel was voor het meten van nauwkeurigere afstanden."

De resultaten van Boone's papers zullen ten goede komen aan twee aanstaande grote experimenten. Het eerste experiment zal plaatsvinden op het 8,4 meter lange Rubin Observatorium, in aanbouw in Chili, met zijn Legacy Survey of Space and Time, een gezamenlijk project van het ministerie van Energie en de National Science Foundation. De tweede is NASA's aanstaande Nancy Grace Roman Space Telescope. Deze telescopen zullen duizenden supernova's meten om de meting van donkere energie verder te verbeteren. Ze zullen hun resultaten kunnen vergelijken met metingen uitgevoerd met behulp van complementaire technieken.

elzen, ook een co-auteur van de kranten, merkte op dat "deze afstandsmeettechniek niet alleen nauwkeuriger is, het vereist slechts een enkel spectrum, genomen wanneer een supernova het helderst is en dus het gemakkelijkst te observeren - een game changer!" Het hebben van een verscheidenheid aan technieken is bijzonder waardevol op dit gebied waar vooroordelen verkeerd zijn gebleken en de behoefte aan onafhankelijke verificatie hoog is.