双超新星为精确宇宙学开辟了新的可能性

超新星爆炸

宇宙学家已经找到了一种方法来加倍精度这是他们用来研究使宇宙膨胀得越来越快的神秘暗能量的可靠工具之一。由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的格雷格·奥尔德林领导的“附近超新星工厂”(SNfactory)合作的结果,将使科学家能够以极大的精度和准确性来研究暗能量,并提供一个强大的跨越距离和时间的技术交叉检查。这些发现也将是即将进行的主要宇宙学实验的核心,这些实验将使用新的地面和太空望远镜来测试暗能量的其他解释。

两篇发表于《天体物理学杂志》上凯尔·布恩是主要作者。目前在美国华盛顿大学,Boone是诺贝尔劳特·萨尔梅德州的前研究生,伯克利实验室高级科学家和UC Berkeley教授领导着最初发现了黑暗能量的团队之一。Perlmuter也是这两个研究的共同作者。

1998年,人们利用超新星发现了一个惊人的事实:宇宙的膨胀正在加速,而不是像人们预期的那样在减速。这种加速——归因于占宇宙所有能量三分之二的暗能量——已经被各种独立的技术以及对超新星的更详细的研究证实。

在使用特定类别的超新星,IA型的发现依赖于暗能。这些超级始终爆炸,几乎相同的内在亮度。由于SuperNova的观察到最大亮度用于推断其距离,因此内在最大亮度的剩余剩余变化限制了可以测试暗能量的精度。尽管许多团体有20年的改进,但暗能的超新佳研究迄今为止仍然受到这些变化的限制。

两个超新星光谱

左上角的图显示了两颗超新星的光谱——亮度和波长。一个很近,一个很远。为了测量暗能量,科学家们需要非常精确地测量它们之间的距离,但是他们如何知道它们是否相同呢?右下的图比较了光谱,显示出它们确实是“双胞胎”。这意味着它们的相对距离的测量精度可以达到3%。中上部的亮点是哈勃太空望远镜拍摄的NGC 4526星系中超新星1994D (SN1994D)的图像。图片来源:Zosia Rostomian/Berkeley Lab;照片:NASA / ESA

超新星的数量翻了四倍

SNfactory宣布的新结果来自一项多年来的研究,该研究完全致力于提高用超新星进行的宇宙学测量的精度。暗能量的测量需要将数十亿光年远的超新星的最大亮度与“仅”3亿光年远的附近超新星的最大亮度进行比较。研究小组对数百颗附近的超新星进行了细致的研究。每一颗超新星每隔几天就要被测量多次。每次测量都检查了超新星的光谱,记录了可见光波长范围内的强度。为这项研究定制的仪器,超新星积分场光谱仪,安装在夏威夷大学Maunakea的2.2米望远镜里,被用来测量光谱。

“我们很久了解了这个想法,如果两个超新星的爆炸物理相同,它们的最大亮度将是相同的。使用附近的超新星工厂光谱作为一种猫扫描通过超新星爆炸,我们可以测试这个想法,“Perlmuter说。

事实上,几年前,物理学家汉娜·菲卡利,然后是一名与Perlmuter一起使用的研究生,为今天的结果做了一个发现的关键。看着Snfactory拍摄的众多光谱,她发现在相当多的情况下,来自两个不同的超新星的光谱看起来非常几乎相同。在50左右的超新星中,一些几乎相同的双胞胎。当一对双胞胎的唤醒光谱叠加时,眼睛只有一个轨道。目前的分析在此观察中建立了在最大亮度近时段的时间内模拟超新佳的行为。

新工作几乎四次分析中使用的超新星数量。这使得样本足够大以施加机器学习技术来识别这些双胞胎,导致IA型超新星光谱的发现仅以三种方式变化。超新星的固有亮度也主要取决于这三个观察到的差异,使得可以测量超新型距离,以显着的精度为约3%。

同样重要的是,这种新方法并没有受到之前方法所带来的偏差的影响,这些偏差是在比较不同类型星系中发现的超新星时发现的。由于附近的星系与遥远的星系有些不同,因此人们非常担心这种依赖会在暗能量测量中产生错误的读数。现在,通过这种新技术来测量遥远的超新星,可以大大减少这种担忧。

在描述这项工作时,Boone注意到,Supernova距离的传统测量使用光线 - 以几种颜色拍摄的图像,如超新星亮,淡化。相反,我们使用了每个Supernova的频谱。这些是如此详细,并且随着机器学习技术,然后可以辨别复杂的行为,这是测量更准确的距离的关键。“

Boone的论文的结果将使两个即将到来的主要实验有益。第一个实验将在8.4米鲁宾天文台,智利建设中,其遗留调查空间和时间,是能源部和国家科学基金会的联合项目。第二是美国宇航局即将到来的Nancy Grace Roman Space望远镜。这些望远镜将测量数千个超新星,以进一步改善暗能量的测量。他们将能够使用互补技术进行的测量比较它们的结果。

Aldering也是这篇论文的合著者,他观察到“这种距离测量技术不仅更精确,它只需要一个单一的光谱,在超新星最亮的时候拍摄,因此最容易观察——一个游戏规则的改变者!”在这个已经证明是错误的、需要独立验证的领域,拥有各种各样的技术是特别有价值的。

SNfactory合作项目包括伯克利实验室、索邦大学核物理与高能实验室、里昂天文研究中心、克劳德·伯纳德大学两无限物理研究所、耶鲁大学德国洪堡大学、马克斯·普朗克天体物理研究所、中国清华大学、马赛粒子物理中心和克莱蒙特·奥弗涅大学。

这项工作得到了能源部科学办公室、美国宇航局天体物理部门、戈登和贝蒂摩尔基金会、法国国家核和粒子物理研究所、法国国家科学研究中心的国家地球科学和天文学研究所的支持,德国研究基金会、德国航空航天中心、欧洲研究理事会、清华大学、中国国家自然科学基金。

Supernova Sn 2011fe.

超新星的一个例子:2011年8月24日,在北角附近的风车星系,帕洛马瞬变工厂捕捉到了SN 2011fe。资料来源:b·j·富尔顿,拉斯坎布雷斯天文台全球望远镜网络

额外的背景

1998年,两个相互竞争的研究超新星的小组,超新星宇宙学项目和高z超新星搜索小组,都宣布他们发现了与预期相反的证据,宇宙的膨胀并没有减慢,而是变得越来越快。暗能量是用来描述加速原因的术语。2011年诺贝尔奖授予了这两个团队的领导人:来自伯克利实验室和加州大学伯克利分校的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter),超新星宇宙学项目的负责人,以及来自加州大学伯克利分校的布莱恩·施密特(Brian Schmidt)澳大利亚国立大学约翰霍普金斯大学的亚当·罗塞斯,来自高Z团队。

其他测量暗能量的技术包括由伯克利实验室领导的能源部支持的暗能量光谱仪器,该仪器将利用重子声振荡技术对3000万个星系进行光谱学研究。鲁宾天文台还将使用另一种被称为弱引力透镜的方法。

引用:

Ia型超新星的双胞胎嵌入。作者:K. Boone, G. Aldering, P. Antilogus, C. Aragon, S. Bailey, C. Baltay, S. Bongard, C. Buton, Y. Copin, S. Dixon, D. Fouchez, E. Gangler, R. Gupta, B. Hayden, W. Hillebrandt, A. G. Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P. f。Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, K. A. Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G. Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, R. C. Thomas and M. Vincenzi, 2021年5月6日,《天体物理学杂志》上
1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / abec3c

Ia型超新星的双胞胎嵌入。2作者:K. Boone, G. Aldering, P. Antilogus, C. Aragon, S. Bailey, C. Baltay, S. Bongard, C. Buton, Y. Copin, S. Dixon, D. Fouchez, E. Gangler, R. haden, W. Hillebrandt, A. G. Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P. f。Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, K. A. Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G. Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, R. C. Thomas and M. Vincenzi, 2021年5月6日,《天体物理学杂志》上
1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / abec3b

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