Nye supernovadata udfordrer konstant mørk energi – men ikke endnu universets acceleration

Den mest nøgterne konklusion er, at nye resultater sætter den konstante mørke energi på prøve – ikke at den kosmiske acceleration er afkræftet.

Type Ia-supernovaer fungerer som såkaldte standardiserbare lys: Astronomer bruger deres lysstyrke til at udlede afstande og dermed, hvordan universets udvidelse har udviklet sig. Men beregningen afhænger af korrektioner for blandt andet supernovaens værtsgalakse, støv, udvælgelse af objekter og de stjerner, der dannede forløberen. Netop sådanne korrektioner er nu centrum for uenigheden.

Pantheon+-genanalysen: Forløberalder og retning på himlen

Et TIFR–Oxford-hold genanalyserede Pantheon+-kataloget med en korrektion for, at den standardiserede lysstyrke hos Type Ia-supernovaer kan afhænge af alderen på den stjernepopulation, supernovaens forløber kommer fra. I holdets kosmografiske analyse flyttede korrektionen den gennemsnitlige, såkaldt monopole komponent af decelerationsparameteren til positive værdier – altså i retning af aftagende udvidelse. Samtidig var en lokal retningsafhængig, dipolær komponent, der blev knyttet til en storstilet bevægelsesstrøm, stort set uændret. 3

Det betyder ikke automatisk, at accelerationen er en illusion. Det betyder, at hvis supernovaernes lysstyrke ændrer sig med forløbersystemets alder, og den virkning ikke er modelleret korrekt, kan den påvirke vores slutninger om universets udvidelseshistorie.

Der er en reel faglig uenighed om, hvor stærk alderskorrektionen er. En tidligere analyse fandt, at den resterende sammenhæng mellem alder og lysstyrke, efter en mere komplet behandling af usikkerhederne, var forenelig med nul i det undersøgte datasæt. 12 Det er netop den slags systematiske usikkerhed, der skal afklares, før en ændret kalibrering kan kaldes en kosmologisk opdagelse.

Indvendingen: Accelerationen forsvinder ikke

Fortolkningen af Pantheon+ er fortsat åben. En senere genanalyse af 1.564 supernovaer rapporterede, at den rettede en koordinatfejl i testen med himmelhalvkugler. Den fandt, at datasættet stadig peger på acceleration – også efter anvendelse af den alderskorrektion, som den anden analyse brugte. 2

De afsluttende femårsresultater fra Dark Energy Survey peger i samme retning: Med supernovadata og systematiske usikkerheder inkluderet kræver analysen acceleration med mere end 5σ inden for flad ΛCDM. Samme studie fandt, at mørk energi fortsat er forenelig med en kosmologisk konstant inden for cirka 2σ. 27

Uenigheden handler derfor ikke blot om »acceleration eller ej«. Den er også metodisk: Hvilke modeller for supernovaernes udvikling, kalibrering, udvælgelse og lokale bevægelser er tilstrækkelige, når man vil udlede en global kosmologisk konklusion?

2.884 supernovaer: Kan mørk energi ændre sig med tiden?

En anden ny forskningslinje afviser ikke nødvendigvis acceleration. Det samlede Unite-katalog kombinerer Pantheon+ og DES-SN5YR og rummer 2.884 sandsynlige Type Ia-supernovaer. Det beskrives som det største internt konsistente datasæt af sin slags. 34

Analyser af kataloget er blevet omtalt som en indikation af, at mørk energi kan variere med kosmisk tid, frem for at være en fuldstændig konstant Λ. Det er ikke et bevis, og resultatet afhænger både af den valgte kosmologiske model og af, hvilke datasæt der kombineres. 37

Retningen minder om resultater fra DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument, der måler galaksefordelingen og baryoniske akustiske oscillationer (BAO). DESI's BAO-data alene er forenelige med en konstant ligningstilstandsparameter, med (w=-0,99^{+0,15}_{-0,13}). Men kombineres DESI med data fra den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) eller Type Ia-supernovaer, og man tillader, at (w) ændrer sig over tid, opstår der en præference for modeller med tidsvarierende mørk energi. 25

Det er et interessant signal – ikke en endelig afgørelse.

Hvad resultaterne samlet kan betyde

De to spor peger på forskellige, men ikke gensidigt udelukkende muligheder:

• Systematiske fejl i supernovamålingerne: Forløberalder, egenskaber ved værtsgalakser, støv, kalibrering, udvælgelse af data og lokal storskalastruktur kan forskyde de afstande, der udledes fra Type Ia-supernovaer.
• Mørk energi, der ikke er konstant: Accelerationen kan være reel, mens beskrivelsen med en uforanderlig kosmologisk konstant Λ er for enkel.
• Lokale eller retningsafhængige effekter: En dipolær komponent kan afspejle observatørens lokale bevægelse eller store bevægelsesstrømme snarere end et brud på universets isotropi på de største skalaer.

Ingen af mulighederne betyder, at ΛCDM – standardmodellen med en kosmologisk konstant og kold mørk materie – generelt er brudt sammen. Modellen er fortsat det vigtigste arbejdsgrundlag i observationskosmologien. Men den fysiske natur af både mørk energi og mørk materie er stadig ukendt, og derfor fortjener afvigelser fra den enkleste model grundig afprøvning.

Rubin Observatory kan levere den skarpere test

Vera C. Rubin Observatorys tiårige Legacy Survey of Space and Time, LSST, kan gøre debatten væsentligt mere afgørende. Prognoser vurderer, at undersøgelsen kan samle omkring 100.000 Type Ia-supernovaer ud til rødforskydning (z=1), hvilket vil give langt større statistisk styrke til målinger af udvidelseshistorien. 40

Det afgørende er ikke kun antallet. Et stort og mere ensartet datasæt, med bedre oplysninger om værtsgalakser og bredere dækning af himlen, kan teste, om alderskorrektioner og retningsafhængige anomalier går igen. Rubin forventes at levere titusindvis af velmålte Type Ia-lyskurver i løbet af den tiårige undersøgelse. 49

Konklusion: De nye data øger presset på den simpleste antagelse om en konstant Λ, men de berettiger ikke endnu udsagnet om, at universet ikke accelererer. Det afgørende spørgsmål bliver, om de næste og langt større undersøgelser kan skille ny kosmisk fysik fra de diskrete astrofysiske skævheder i supernovadata.