Космологи знайшли спосіб подвоїти точність вимірювання відстаней до наднових — одного з перевірених інструментів науковців для вивчення таємничої темної енергії, завдяки якій Всесвіт розширюється все швидше і швидше. Результати колаборації «Найближча фабрика наднових» (the Nearby Supernova Factory, SNfactory), яку очолює Ґрег Олдерінґ (Greg Aldering) з Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі, дадуть можливість науковцям вивчати темну енергію зі значно вищою точністю та забезпечать суттєву перехресну перевірку методу на величезних відстанях та в часі. Висновки також стануть надважливими для майбутніх космологічних експериментів, які будуть використовувати нові наземні та космічні телескопи для перевірки альтернативних пояснень темної енергії.
Про ці результати йдеться в двох статтях, опублікованих в Astrophysical Journal. Головний автор публікацій — Кайл Бун (Kyle Boone), доктор наук у Вашингтонському університеті, колишній аспірант Нобелівського лауреата Сола Перлматтера (Saul Perlmutter). Цей вчений, нині старший науковий співробітник Лабораторії в Берклі та професор Каліфорнійського університету (Берклі), керував однією з наукових «команд», які відкрили темну енергію. Перлматтер також співавтор нових досліджень.
Завдяки вивченню наднових у 1998 році було зроблено разюче відкриття: розширення Всесвіту прискорюється, а не сповільнюється, як очікували науковці. Це прискорення, пов’язане з темною енергією, що становить дві третини всієї енергії у Всесвіті, відтоді підтверджено різними незалежними методами, а також більш докладним дослідженнями наднових.
Відкриття темної енергії спиралося на дослідження певного класу наднових типу Ia. Ці наднові завжди спалахують з майже однаковою максимальною світністю. Оскільки спостережуваний максимальний блиск (видима зоряна величина — Ред.) наднової використовують для встановлення відстані до неї, невеликі зміни світності обмежували точність, з якою можна було «тестувати» темну енергію. Хоча багато груп науковців протягом останніх 20 років намагалися вдосконалити метод визначення відстані у Всесвіті за спостереженнями наднових, дослідження темної енергії досі було обмежені цими змінами світності.
Збільшення вчетверо кількості наднових
Нові результати, оголошені SNfactory, отримано завдяки багаторічному дослідженню, повністю присвяченому підвищенню точності космологічних вимірювань, виконаних за допомогою наднових. Вимірювання темної енергії вимагає порівняння максимальної світності віддалених наднових, що лежать за мільярди світлових років, і ближніх наднових, які містяться «лише» за 300 мільйонів світлових років. Наукова група докладно вивчила сотні таких ближніх наднових. Кожну наднову вимірювали кілька разів з інтервалом у кілька днів. Таке вимірювання досліджувало спектр наднової, реєструючи її інтенсивність у всьому діапазоні довжин хвиль видимого світла. Для вимірювання спектрів використовували спеціально виготовлений для цього дослідження прилад — спектрометр інтегрального поля SuperNova (the SuperNova Integral Field Spectrometer), встановлений на 2,2-метровому телескопі Гавайського університету на Мауна-Кеа.
«Ми вже давно мали таку ідею — якщо б фізика спалаху двох наднових була однаковою, то їхня максимальна світність також однакова. Використовуючи спектри «Найближчої фабрики наднових» як свого роду сканування CAT (computerized axial tomography, комп’ютерна осьова томографія) на основі явища спалах наднової, ми могли б перевірити цю ідею», — сказав Перлматтер.
Справді, кілька років тому фізик Ганна Фахурі (Hannah Fakhouri), тоді аспірантка, яка працювала разом з Перлматтером, отримала ключ до відкриття нинішніх результатів. Розглядаючи багато спектрів, отриманих SNfactory, вона виявила, що у багатьох випадках спектри двох різних наднових мали майже однаковий вигляд. Серед 50 чи близько того наднових, деякі були практично однояйцевими близнюками. Коли спектри двох близнюків накладали, на око була просто одна крива лінія. Поточний аналіз ґрунтується на цьому спостереженні для моделювання поведінки наднових у період поблизу часу їхньої максимальної світності.
Приклад наднової: Паломарська фабрика змінних процесів (The Palomar Transient Factory) виявила SN 2011fe у галактиці М101 (Галактика Млинок) з сузір’я Велика Ведмедиця 24 серпня 2011 р. Фото з сайту https://phys.org.
У новій роботі для аналізу використали майже вчетверо більше наднових, що дало змогу отримати достатньо велику вибірку, щоб застосувати методи машинного навчання для ідентифікації цих близнюків. Завдяки цьому вдалося виявити, що спектр наднової типу Ia змінюється лише трьома шляхами. Світності наднових також залежать насамперед від цих трьох спостережуваних відмінностей, що дає можливість виміряти відстань до наднової із надзвичайною точністю близько 3%.
Не менш важливим є те, що цей новий метод не страждає від упереджень, які притаманні попереднім методам, де порівнюють спостережні дані наднових, виявлених у різних типах галактик. Оскільки сусідні галактики дещо відрізняються від далеких, існувала серйозна занепокоєність, що така залежність призведе до помилкових показників при вимірюванні темної енергії. Тепер це занепокоєння можна значно зменшити, вимірюючи віддалені наднові за допомогою цього нового методу.
Описуючи роботу, Бун зазначив: «Звичайне вимірювання відстаней методом наднової використовує криві блиску (залежність блиску від часу — Ред.), отримані в кількох лініях спектру, коли блиск наднової зростає і спадає. Натомість ми використовували весь спектр кожної наднової. Отримані криві блиску набагато докладніші, і завдяки технологіям машинного навчання стало можливим розрізнити складний хід явища спалаху, що стало основою для більш точних вимірювань відстаней».
Результати досліджень Буна принесуть користь двом великим експериментам, які незабаром будуть виконані. Перший експеримент під назвою «Огляд спадщини простору й часу» (Legacy Survey of Space and Time) — на 8,4-метровій обсерваторії Віри Рубін, що нині перебуває на етапі будівництва в Чилі. Другий — за допомогою майбутнього Космічного телескопа Ненсі Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope). Ці телескопи дозволять вивчити тисячі наднових для подальшого вдосконалення вимірювання темної енергії. Отримані результати науковці порівняють з вимірюваннями, зробленими з використанням додаткових методів.
Олдерінґ, також співавтор статей, зауважив: «Ця техніка вимірювання відстані не тільки більш точна, вона вимагає лише одного спектра, зробленого тоді, коли наднова найяскравіша і, отже, найлегша для спостереження — це означає, що в цьому питання відбулася “зміна гри”!». Наявність різноманітних методів є особливо цінним у цій галузі космології, де упереджені уявлення виявилися помилковими, а потреба в незалежній перевірці висока.
За інф. з сайту https://phys.org/news підготував Іван Крячко
