Voiko supernovien ikäselitys horjuttaa käsitystä maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta?

Ia-tyypin supernovat ovat keskeinen väline kosmisten etäisyyksien mittaamiseen. Tuore kiista ei tarkoita, että pimeä energia olisi jo osoitettu vääräksi. Se nostaa esiin täsmällisemmän kysymyksen: voisiko supernovan synnyttäneen tähtipopulaation ikään liittyvä muutos vakioidussa kirkkaudessa muistuttaa etäisyys–punasiirtymäkuviossa kiihtyvän laajenemisen signaalia?

Mitä Pantheon+-aineiston uudelleenanalyysi väittää

Kiistanalaisessa lähestymistavassa 1 701 Pantheon+-luettelon Ia-tyypin supernovalle tehdään korjaus, joka riippuu emokannan iästä. Tutkijoiden mukaan korjauksen jälkeen hidastuvuusparametrin monopolikomponentti muuttuu positiiviseksi. Tällöin maailmankaikkeus laajenisi yhä, mutta laajeneminen hidastuisi kiihtymisen sijaan.

Ajatus on yksinkertainen, vaikka seuraukset olisivat suuria. Ia-supernovia vakioidaan niiden valokäyrän ominaisuuksien ja värin avulla, jotta niitä voidaan käyttää etäisyysmittareina. Jos kirkkauteen jää iästä riippuva vaikutus ja kyseisten tähtipopulaatioiden iät muuttuvat järjestelmällisesti punasiirtymän mukana, osa havaitusta trendistä voisi johtua astrofysikaalisesta kehityksestä eikä kosmisesta kiihtymisestä.

Jos tulkinta vahvistuisi, se heikentäisi nimenomaan supernovahavaintoihin perustuvaa näyttöä kiihtymisestä. Se ei yksinään kumoaisi laajempaa ΛCDM-kosmologista mallia eikä muita kosmologisia mittauksia.

Miksi Schmidt, Riess ja heidän kollegansa päätyvät toiseen johtopäätökseen

Vastakkaisessa analyysissä hyväksytään, että isäntägalaksien ominaisuuksia on kontrolloitava, mutta kiistetään, että ehdotettu ikäkorjaus olisi niin suuri kuin kiihtymissignaalin poistaminen edellyttäisi.

Kiihtyvän laajenemisen tulkintaa puolustava tutkimus esittää kolme keskeistä perustelua:

• Väitetty ikävaikutus voi syntyä siitä, että isäntägalaksin ikää kohdellaan lopulta räjähtäneen tähden ikänä. Nämä eivät yleensä ole sama asia.
• Kiistanalaisessa analyysissä arvioitu, lähellä ja kaukana havaittujen supernovien emokantojen noin 5 miljardin vuoden ikäero on heidän mukaansa yliarvioitu kertoimella kolmesta viiteen.
• Tavanomainen isäntägalaksin massaan perustuva korjaus huomioi jo tunnettuja ympäristöriippuvuuksia, jotka korreloivat myös iän kanssa. Kun tämä korjaus tehdään, tutkijat eivät löydä tarkastelemastaan aineistosta riippuvuutta vakioidun kirkkauden ja isäntägalaksin iän välillä.

Viimeisestä kohdasta on kuitenkin aito tieteellinen erimielisyys. Ikäharhaa koskeva alkuperäinen tutkimus katsoo, ettei niin sanottu massastep-korjaus poista vaikutusta kokonaan, koska emokannan ikä ja isäntägalaksin massa kehittyvät punasiirtymän myötä eri tavoin. Kysymys ei siis ole vain siitä, pitääkö korjauksia tehdä, vaan siitä, mikä fysikaalinen suure mitataan oikein ja mikä ympäristömalli kuvaa havaintoja luotettavasti.

Mitä riippumaton uudelleentarkastelu löysi

Myöhempi uudelleenanalyysi, jossa kerrotaan korjatun koordinaattivirhe, päätyi siihen, että korjaamaton Pantheon+ on yhteensopiva ΛCDM-mallin kanssa. Vaikka kiistanalainen ikäkorjaus lisätään, analyysi saa monopoliselle hidastuvuusparametrille arvon (q_m=-0.267). Negatiivinen arvo merkitsee kiihtymistä, joskin heikompaa kuin ilman korjausta. 17

Tämä ei ratkaise väittelyä, mutta se osoittaa, miksi hidastuvan laajenemisen väitettä ei voi pitää varmistettuna. Tulos riippuu voimakkaasti kalibrointitavasta, siitä miten galaksin ikä yhdistetään supernovan emokannan ikään, sekä isäntägalaksikorjausten käsittelystä.

Miten Rubin-observatorion LSST voi antaa ratkaisevan testin

Vera C. Rubin -observatorion Legacy Survey of Space and Time -kartoituksen eli LSST:n odotetaan mittaavan vähintään 500 Ia-tyypin supernovaa havaintokautta kohti. Kymmenvuotisen kartoituksen aikana se voi tuottaa kymmeniätuhansia hyvin mitattuja valokäyriä noin punasiirtymään (z\sim1) asti. 9 Toisten ennusteiden mukaan löydettyjen Ia-supernovien kokonaismäärä voi nousta lähes miljoonaan. 4

Suuri aineisto ei ratkaise ongelmaa automaattisesti, mutta se mahdollistaa tiukemmat testit:

1. Vertailu samalla punasiirtymällä. Suunnilleen samalla punasiirtymällä olevia supernovia voidaan vertailla, vaikka niiden isäntägalaksien ikä, massa, metallipitoisuus ja tähtienmuodostushistoria eroavat. Näin voidaan testata, jääkö tavanomaisten korjausten jälkeen kirkkauseroa.
2. Astrofysiikan ja kosmologian yhteensovitus. Sen sijaan, että populaatioiden kehityksen oletetaan olevan nolla tai tunnettu etukäteen, se voidaan sovittaa samanaikaisesti kosmologisten parametrien kanssa. Tällöin voidaan arvioida, vaatiiko aineisto edelleen kiihtymistä.
3. Yhtenäisempi havainto-ohjelma. Yksi laaja kartoitus vähentää osaa vanhempien tutkimusten välisistä kalibrointieroista, jotka voivat näyttää punasiirtymästä riippuvilta trendeiltä.

Ratkaiseva varaus koskee systemaattisia virheitä: havaintojen suuri määrä ei itsessään poista niitä. Valtaosalle LSST:n kohteista ei odoteta yksilöllistä spektroskooppista luokitusta ja punasiirtymän mittausta. Siksi tarvitaan luotettavaa fotometrista luokittelua, isäntägalaksien punasiirtymiä, otosvalinnan vaikutusten hallintaa ja tarkkaa fotometrista kalibrointia. 4

Mitä kiistassa lopulta testataan

Selkein koe olisi riippumattomasti kalibroitu Hubble-diagrammi, jossa isäntägalaksien ominaisuudet tunnetaan hyvin: edellyttääkö aineisto yhä kiihtymistä, kun iälle ja ympäristölle sallitaan joustavat mutta havaintojen perusteella varmennetut korjaukset?

Jos vastaus on kyllä, ikäharha ei voi olla kiihtymissignaalin pääselitys. Jos vastaus on ei, supernovien tulkinta suoraksi todisteeksi myöhäisen ajan kosmisesta kiihtymisestä vaatisi perusteellisen uudelleenarvioinnin. Tällä hetkellä ristiriitaiset tulokset kertovat aktiivisesta menetelmällisestä kiistasta, eivät pimeän energian lopullisesta romahduksesta. 17