Камера темної енергії в Міжамериканській обсерваторії Серро-Тололо дала змогу отримати унікальну інформацію про прискорене розширення Всесвіту.
Науковці, які виконують проєкт «Огляд темної енергії» (Dark Energy Survey, DES) за допомогою Камери темної енергії, встановленої на 4-метровому телескопі Віктора М. Бланко в Міжамериканській обсерваторії Серро-Тололо, уклали найбільшу вибірку наднових, яку будь-коли отримували за допомогою одного телескопа. Проаналізувавши понад 1500 віддалених наднових, колаборація DES наклала найсильніші обмеження на швидкість розширення Всесвіту, які коли-небудь отримували на підставі вивчення наднових, і виявила натяки на те, що густина темної енергії Всесвіту може змінюватися з часом.
У 1998 р. дві окремі групи астрофізиків, використовуючи телескопи в Міжамериканській обсерваторії Серро Тололо (Cerro Tololo Inter-American Observatory, CTIO) Національного наукового фонду США та Національній обсерваторії Кітт-Пік (обидві обсерваторії діють за програмою NOIRLab NSF), виявили, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Це явище, як вважають науковці, спричиняє загадкова сутність під назвою темна енергія, яка становить близько 70% Всесвіту. Це відкриття стало несподіванкою для астрофізиків, які тоді очікували, що розширення Всесвіту має згодом сповільниться.
Історію розширення Всесвіту можна простежити, порівнюючи червоні зміщення з відстанями, визначеними для кожної наднової. Результати дослідження Dark Energy Survey показують, що розширення прискорюється відтоді, як у Всесвіті стала домінувати темна енергія. Авторські права на зображення: DES Collaboration. Фото з сайту https://noirlab.edu.
Це революційне відкриття було зроблено завдяки спостереженням особливого класу зір, що вибухають, які називаються надновими типу Ia (читай «тип один-А») [1], і було відзначене Нобелівською премією з фізики в 2011 році.
Тепер, через 25 років після першого відкриття, вчені, які працюють над Оглядом темної енергії, оприлюднили результати безпрецедентного аналізу. Вони використали той самий метод, щоб продовжити дослідження таємниць темної енергії та накласти найсильніші обмеження на історію розширення Всесвіту, коли-небудь отриману. У презентації на 243 з’їзді Американського астрономічного товариства 8 січня 2024 р. та в статті, поданій до Astrophysical Journal, астрофізики повідомляють про результати, які узгоджуються зі стандартною космологічною моделлю Всесвіту з прискореним розширенням. Проте результати не настільки остаточні, щоб виключити можливу складнішу модель.
DES — це міжнародне співробітництво, в якому беруть участь понад 400 науковців із понад 25 установ, очолювані Національною прискорювальною лабораторією Фермі (Fermilab) Міністерства енергетики (Department of Energy, DOE) США. DES використовує камеру темної енергії (Dark Energy Camera, DECam), 570-мегапіксельну цифрову камеру, створену Fermilab і фінансовану Управлінням науки Міністерства енергетики США за значного внеску Національного наукового фонду (National Science Foundation, NSF) і партнерів DES. Її встановлено на телескопі Віктора М. Бланко в CTIO в Чилі. Виконавши спостереження протягом 758 ночей за шість років, дослідники DES нанесли на мапу ділянку неба, що становить майже одну восьму площі всієї небесної сфери.
Серед спостережень близько двох мільйонів віддалених галактик наукова група DES знайшла кілька тисяч наднових, що дало змогу сформувати найбільшу вибірку наднових, яку коли-небудь укладали на підставі спостережень за допомогою одного телескопа [2]. Потім дослідники DES використали передові методи машинного навчання, щоб допомогти класифікувати наднові та відсіяти вибірку в уніфікований високоякісний набір даних із 1499 ймовірними надновими типу Ia, таким чином потроївши кількість спостережуваних наднових Ia за межею червоного зміщення 0,2 і вп’ятеро збільшивши кількість за межами червоного зміщення 0,5 [3]. «Це справді величезне збільшення, як порівняти з 25-річною давниною, коли лише 52 наднові використовували для визначення темної енергії», — сказала Тамара Девіс (Tamara Davis), професор Квінслендського університету в Австралії та співорганізатор робочої групи DES Supernova.
Червоне зміщення — це термін, який астрономи використовують для опису розтягування довжин хвиль світла від об’єкта через розширення Всесвіту; що більша відстань до об’єкта, то більше червоне зміщення. Докладну історію розширення Всесвіту визначають за точним співвідношенням між відстанями до галактик — або наднових — і їхніми червоними зміщеннями. Авторські права на зображення: DES Collaboration. Фото з сайту https://noirlab.edu.
Цю велику вибірку наднових зір, що охоплюють широкий діапазон відстаней, можна використовувати, щоб простежити історію космічного розширення. Для кожної наднової науковці DES поєднують її відстань із вимірюванням її червоного зміщення — як швидко вона віддаляється від Землі через розширення Всесвіту. Разом ці два фактори можуть дати зрозуміти, чи густина темної енергії Всесвіту була постійною чи змінювалася з часом.
На цій діаграмі показано систему фільтрів, встановлену в Камері темної енергії, яку використовує Огляд темної енергії для виявлення наднових зір і моніторингу зміни їх яскравості. Метод засновано на чотирьох фільтрах: g (найблакитніший фільтр), r, i та z (найчервоніший фільтр). Авторські права на зображення: DES Collaboration. Фото з сайту https://noirlab.edu.
«В міру того, як Всесвіт розширюється, густина матерії падає», — сказав директор і прес-секретар DES Річ Крон (Rich Kron), який є науковим співробітником Fermilab і Чиказького університету. «Але якщо густина темної енергії постійна, це означає, що загальна частка темної енергії має зростати зі збільшенням об’єму».
Стандартна космологічна модель відома як ΛCDM, або «модель лямбда-холодної темної матерії» (Lambda cold dark matter). Ця математична модель описує, як розвивається Всесвіт, використовуючи лише кілька характеристик, таких як густина матерії, тип матерії та поведінка темної енергії. Тоді як в моделі ΛCDM густина темної енергії у Всесвіті є постійною протягом космічного часу і її значення не зменшується в міру розширення Всесвіту, результати огляду DES Supernova Survey натякають, що це може бути не так.
Результати отримано через поєднання даних DES із додатковими даними телескопа «Планк» Європейського космічного агентства. Цікавим результатом цього дослідження є те, що це перший випадок, коли було виміряно досить віддалені наднові, щоб зробити дуже докладне вимірювання фази уповільнення Всесвіту та побачити, де Всесвіт переходить від уповільнення до прискорення. І хоча результати не суперечать тому, що густина темної енергії у Всесвіті постійна, вони також натякають — темна енергія може бути різною. «Існують спокусливі натяки на те, що темна енергія змінюється з часом, — сказала Девіс. — Ми виявили, що найпростіша модель темної енергії — ΛCDM — не найкраще підходить. Це не так сильно, щоб ми визнали модель ΛCDM помилковою, але в прагненні зрозуміти, що прискорює розширення Всесвіту, це нова таємнича частина головоломки. Можливо, знадобиться більш складне пояснення».
Інноваційні методи, впроваджені DES, формуватимуть і сприятимуть майбутньому астрофізичному аналізу. Такі проєкти, як майбутній «Огляд прстору і часу в їх розвитку» (Legacy Survey of Space and Time), який буде виконувати обсерваторія Віри К. Рубін (нею спільно керують NOIRLab NSF і Національна прискорювальна лабораторія SLAC DOE), а також космічний телескоп Ненсі Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope) NASA, почнуть там, де зупинився Огляд темної енергії. «Ми є піонерами методики, яка буде корисною для наступного покоління досліджень наднових», — сказав Крон.
«Цей результат чітко демонструє цінність проєктів астрономічних досліджень, які дають прекрасні наукові результати навіть після завершення збору даних», — зазначив Найджел Шарп (Nigel Sharp), програмний директор Відділу астрономічних наук NSF. «Нам потрібно якомога більше різноманітних підходів, щоб зрозуміти, що таке темна енергія, а що ні. Це важливий шлях до такого розуміння».
Алістер Вокер (Alistair Walker), науковий спеціаліст із приладів DECam у NOIRLab, додає: «Поєднання кількох елементів забезпечило цей важливий прогрес у нашому розумінні темної енергії — незаймане небо Чилі, великий телескоп Blanco, оснащений якісно зробленою DECam, інтенсивні зусилля з калібрування даних, які досягли безпрецедентного рівня точності вимірювань, і десятиріччя зусиль з аналізу даних дуже талановитої групи вчених».
Примітки
[1] Для цієї методики потрібні дані наднових зір типу Ia, які виникають, коли надзвичайно щільний залишок зорі, відомий як білий карлик, досягає критичної маси та вибухає. Ця критична маса майже однакова для всіх білих карликів, тому всі наднові типу Ia мають приблизно однакову фактичну яскравість. Порівнявши видимі яскравості двох наднових зір типу Ia, які видно із Землі, астрономи можуть визначити їхні відносні відстані від нас.
[2] Нещодавно опублікований набір даних Union3 від Rubin et al. (2023) містить 2087 наднових зір, які спостерігали за допомогою різних телескопів; всі дані дослідження DES були отримані за допомогою одного телескопа, завдяки чому вибірка була більш однорідною та високоточною.
[3] Червоне зміщення об’єкта вказує астрономам, як швидко він віддаляється від Землі через розширення Всесвіту.
За інф. з сайту https://noirlab.edu
