وبلاگ

در سال 1998، اخترفیزیکدانان کشف کردند که جهان با سرعتی شتابان منبسط می شود که به موجودی مرموز نسبت داده می شود. انرژی تاریک که حدود 70 درصد از جهان ما را تشکیل می دهد. اگرچه این یافته توسط اندازه‌گیری‌های قبلی پیش‌بینی شده بود، اما این یافته تا حدودی غافلگیرکننده بود. در آن زمان، اخترفیزیکدانان توافق کردند که انبساط جهان به دلیل گرانش باید کند شود.

این کشف انقلابی، که اخترفیزیکدانان با رصد انواع خاصی از ستارگان در حال انفجار به نام نوع Ia (بخوانید “نوع یک-A”) به آن دست یافتند. ابرنواخترهادر سال 2011 با جایزه نوبل فیزیک شناخته شد.

اکنون، 25 سال پس از کشف اولیه، دانشمندان در حال کار بر روی تحقیق در مورد انرژی تاریک نتایج یک تحلیل بی سابقه را با استفاده از همین تکنیک برای کشف بیشتر اسرار انرژی تاریک و انبساط جهان منتشر کرد. آنها سخت ترین محدودیت ها را برای انبساط کیهان که تا به حال با مطالعه ابرنواختر DES به دست آمده است، قرار دادند. در ارائه ای از جلسه 243 از جانب انجمن نجوم آمریکا در 8 ژانویه، و در مقاله ای که در ژانویه به مجله Astrophysical ارسال شد، با عنوان، “بررسی انرژی تاریک: نتایج کیهان‌شناسی با 1500 ابرنواختر جدید با جابجایی بالا به سرخ نوع Ia با استفاده از مجموعه داده‌های کامل 5 ساله.” اخترفیزیکدانان DES نتایجی را گزارش می‌کنند که با مدل استاندارد کنونی کیهان‌شناسی جهان در حال انبساط مطابقت دارد. با این حال، یافته‌ها به اندازه کافی قطعی نیستند تا الگوی پیچیده‌تر احتمالی را رد کنند.

استفاده از یک رویکرد منحصر به فرد برای تجزیه و تحلیل

تحقیقات انرژی تاریک بین المللی است مشارکت متشکل از بیش از 400 اخترفیزیکدان، ستاره شناس و کیهان شناس از بیش از 25 موسسه به رهبری اعضای وزارت انرژی ایالات متحده آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی. DES منطقه ای نزدیک به یک هشتم کل آسمان را با استفاده از نقشه برداری می کند محفظه انرژی تاریک، یک دوربین دیجیتال 570 مگاپیکسلی که توسط Fermilab ساخته شده و توسط دفتر علوم DOE تامین شده است. روی آن نصب شده بود تلسکوپ ویکتور ام بلانکو در بنیاد ملی علوم رصدخانه بین آمریکایی سرو تولولوبرنامه NSF’s NOIRLab، در سال 2012. دانشمندان DES داده های 758 شب را طی شش سال گرفتند.

برای درک ماهیت انرژی تاریک و اندازه گیری نرخ انبساط جهان، دانشمندان DES با چهار تکنیک مختلف، از جمله تکنیک ابرنواختر مورد استفاده در سال 1998، تجزیه و تحلیل هایی را انجام دادند.

این تکنیک به داده‌هایی از ابرنواخترهای نوع Ia نیاز دارد که زمانی اتفاق می‌افتد که یک ستاره مرده بسیار متراکم که به عنوان کوتوله سفید شناخته می‌شود به جرم بحرانی رسیده و منفجر شود. از آنجایی که جرم بحرانی برای همه کوتوله‌های سفید تقریباً یکسان است، همه ابرنواخترهای نوع Ia تقریباً درخشندگی واقعی یکسانی دارند و همه تغییرات دیگر را می‌توان کالیبره کرد. بنابراین، وقتی اخترفیزیکدانان درخشندگی ظاهری دو ابرنواختر نوع Ia را که از زمین مشاهده می‌شود، مقایسه می‌کنند، می‌توانند فاصله نسبی آنها را از ما تعیین کنند.

اخترفیزیکدانان تاریخچه انبساط کیهانی را با نمونه های بزرگی از ابرنواخترها که طیف وسیعی از فواصل را در بر می گیرند، ردیابی می کنند. برای هر ابرنواختر، آنها فاصله آن را با اندازه گیری انتقال به سرخ آن ترکیب می کنند – سرعت دور شدن آن از زمین به دلیل انبساط جهان. آنها می توانند از این تاریخچه برای تعیین اینکه آیا چگالی انرژی تاریک ثابت مانده است یا در طول زمان تغییر کرده است استفاده کنند.

ریچ کرون، مدیر و سخنگوی DES که دانشمندی در Fermilab و دانشگاه شیکاگو است، گفت: با انبساط جهان، چگالی ماده کاهش می یابد. اما اگر چگالی انرژی تاریک ثابت باشد، به این معنی است که نسبت کل انرژی تاریک باید با افزایش حجم افزایش یابد.

اوج یک دهه تلاش

مدل استاندارد کیهان شناسی ΛCDM یا ماده تاریک سرد لامبدا است، مدلی مبتنی بر چگالی انرژی تاریک که در زمان کیهانی ثابت است. این به ما می گوید که چگونه جهان با استفاده از چند ویژگی، مانند چگالی ماده، نوع ماده و رفتار انرژی تاریک در حال تکامل است. روش ابرنواختر دو مورد از این ویژگی ها را به خوبی محدود می کند: چگالی ماده و کمیتی به نام w که نشان می دهد آیا چگالی انرژی تاریک ثابت است یا خیر.

طبق استاندارد کیهان شناسی مدل، چگالی انرژی تاریک در جهان ثابت است، به این معنی که با انبساط جهان نازک نمی شود. اگر این درست باشد، پارامتر نشان داده شده با حرف w باید برابر با 1- باشد.

هنگامی که همکاری DES نتایج ابرنواختر خود را در داخل فاش کرد، اوج دهه‌ها تلاش و زمان عاطفی برای بسیاری از اخترفیزیکدانان درگیر بود. تامارا دیویس، استاد دانشگاه کوئینزلند در استرالیا و یکی از سازمان‌دهندگان گروه کاری DES Supernova، گفت: «من می‌لرزیدم. قطعاً زمان هیجان انگیزی بود.»

نتایج نشان می دهد که w = -0.80 +/- 0.18 تنها با استفاده از ابرنواخترها. همراه با داده های اضافی از تلسکوپ پلانک آژانس فضایی اروپا، w در نوارهای خطا به -1 می رسد.

دیویس می‌گوید: «W به طرز شگفت‌انگیزی دقیقاً در -1 نیست، اما به اندازه‌ای نزدیک است که با -1 مطابقت کند. «ممکن است مدل پیچیده‌تری مورد نیاز باشد. انرژی تاریک در واقع می تواند با زمان تغییر کند.

برای رسیدن به یک نتیجه قطعی، دانشمندان به داده های بیشتری نیاز دارند. اما DES قادر به ارائه این نخواهد بود. نظرسنجی پذیرش داده ها را متوقف کرده است ژانویه 2019. تیم ابرنواختر، به رهبری بسیاری از Ph.D. دانشجویان و فوق دکترا به زودی تمام آنچه را که می توانند از مشاهدات DES استخراج خواهند کرد.

ماریا وینچنزی، یکی از همکاران پژوهشی دانشگاه دوک که رهبری تحلیل کیهانی نمونه ابرنواختر DES را بر عهده داشت، گفت: «بیش از 30 نفر در این تجزیه و تحلیل شرکت کردند و این نقطه اوج تقریباً 10 سال کار است. برخی از ما زمانی که تازه در ابتدای دوره دکتری خود بودیم، کار روی این پروژه را شروع کردیم و اکنون در حال شروع پست های هیئت علمی هستیم. بنابراین، همکاری DES به رشد و توسعه حرفه ای یک نسل کامل از کیهان شناسان کمک کرد.

پیشگام در یک رویکرد جدید

این تجزیه و تحلیل نهایی ابرنواختر DES پیشرفت های زیادی در DES ایجاد کرد اولین نتیجه یک ابرنواختر در سال 2018 منتشر شد که تنها از 207 ابرنواختر و سه سال داده استفاده می کند.

برای تجزیه و تحلیل سال 2018، دانشمندان DES داده‌های طیف هر ابرنواختر را با هم ترکیب کردند تا جابه‌جایی‌های قرمز آن‌ها را مشخص کنند و آن‌ها را به عنوان نوع Ia طبقه‌بندی کنند یا نه. آنها سپس از تصاویر گرفته شده با فیلترهای مختلف برای شناسایی شار در بالای منحنی نور استفاده کردند – روشی به نام نورسنجی. اما به‌دست آوردن طیف‌ها دشوار است، و به زمان زیادی برای رصد روی بزرگ‌ترین تلسکوپ‌ها نیاز دارد، که برای بررسی‌های انرژی تاریک آینده مانند بررسی میراث فضا و زمان، LSST، که در رصدخانه Vera C. Rubinبه طور مشترک توسط NOIRLab NSF و آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC DOE اداره می شود.

پژوهش جدید پیشگام رویکرد جدیدی برای استفاده از نورسنجی – با چهار فیلتر بی‌سابقه – برای یافتن ابرنواخترها، طبقه‌بندی و اندازه‌گیری منحنی‌های نور آنهاست. طیف‌سنجی بعدی کهکشان میزبان با تلسکوپ انگلیسی-استرالیایی، انتقال‌های قرمز دقیقی را برای هر ابرنواختر فراهم کرد. استفاده از فیلترهای اضافی همچنین داده‌هایی را فعال می‌کند که دقیق‌تر از مطالعات قبلی بود و پیشرفت بزرگی نسبت به نمونه‌های ابرنواختر برنده جایزه نوبل بود که فقط از یک یا دو فیلتر استفاده می‌کردند.

محققان DES از پیشرفته استفاده کرده اند فراگیری ماشین تکنیک هایی برای کمک به طبقه بندی ابرنواخترها در میان داده های حدود دو میلیون کهکشان رصد شده دور، DES چندین هزار ابرنواختر را شناسایی کرد. دانشمندان در نهایت با استفاده از 1499 ابرنواختر نوع Ia با داده های با کیفیت بالا، آن را به بزرگترین و عمیق ترین نمونه ابرنواختری از یک تلسکوپ منفرد تبدیل کردند. در سال 1998، ستاره شناسان برنده جایزه نوبل تنها از 52 ابرنواختر استفاده کردند تا مشخص کنند که جهان با سرعتی شتابان در حال انبساط است. دیویس می گوید: «این افزایش نسبت به 25 سال پیش واقعاً بسیار زیاد است.

در مقایسه با طیف‌سنجی، اشکالات جزئی در رویکرد فتومتریک جدید وجود دارد: از آنجا که ابرنواخترها طیف ندارند، عدم قطعیت بیشتری در طبقه‌بندی وجود دارد. با این حال، اندازه نمونه بسیار بزرگتر فعال شده توسط رویکرد فتومتریک بیش از آن را جبران می کند.

تکنیک‌های ابداعی معرفی‌شده توسط DES، تحلیل‌های اخترفیزیکی آینده را شکل می‌دهند و بیشتر تحریک می‌کنند. پروژه هایی مانند Rubin’s LSST و NASA تلسکوپ فضایی نانسی گریس رم از جایی که DES متوقف شد ادامه خواهد داد. کرون می‌گوید: «ما در حال پیشروی این تکنیک‌ها هستیم که مستقیماً برای نسل بعدی مطالعات ابرنواختر مفید خواهد بود.

دیلون می‌گوید: «این نتیجه جدید ابرنواختر هیجان‌انگیز است، زیرا به این معنی است که ما واقعاً می‌توانیم یک کمان روی آن ببندیم و آن را به جامعه بدهیم و بگوییم: «این بهترین تلاش ما برای توضیح نحوه عملکرد جهان است.» برات، دستیار استاد دانشگاه بوستون که به همراه وینچنزی تجزیه و تحلیل کیهان‌شناسی نمونه ابرنواختر DES را انجام داد. اکنون این محدودیت‌ها برای مدتی طولانی استاندارد طلایی در کیهان‌شناسی ابرنواختر خواهند بود.

حتی با وجود آزمایش‌های پیشرفته‌تر انرژی تاریک، دانشمندان DES بر اهمیت داشتن مدل‌های نظری برای توضیح انرژی تاریک علاوه بر مشاهدات تجربی خود تأکید کردند. کرون می‌گوید: «اینها واقعاً قلمروی ناشناخته است. ما نظریه‌ای نداریم که انرژی تاریک را در چارچوبی قرار دهد که به سایر فیزیک‌هایی که می‌فهمیم مربوط باشد. در حال حاضر، ما در DES در حال کار برای محدود کردن نحوه عملکرد انرژی تاریک در عمل با این انتظار هستیم که برخی از نظریه ها ممکن است بعداً جعل شوند.

دانشمندان DES به استفاده از نتایج ابرنواختر در تجزیه و تحلیل های بیشتر ادامه می دهند و آنها را با نتایج به دست آمده با سایر تکنیک های DES ادغام می کنند. دیویس می‌گوید: «ترکیب اطلاعات DES ابرنواختر با این کاوشگرهای دیگر، مدل کیهانی ما را حتی بهتر خواهد کرد.

او می‌گوید: «حتی اگر انرژی تاریک را با دقت بی‌نهایت اندازه‌گیری کنیم، به این معنی نیست که می‌دانیم چیست. انرژی تاریک هنوز وجود دارد تا کشف شود.

یادداشت سردبیر: این مقاله در ابتدا به عنوان یک منتشر شده است بیانیه مطبوعاتی فرمیلب.