Supernovatulokset haastavat vakion pimeän energian – eivät vielä kosmista kiihtymistä

Varovaisin tulkinta uusista tuloksista on tämä: testissä on vakio pimeä energia, ei vielä itse kosmisen laajenemisen kiihtyminen.

Ia-tyypin supernovat ovat kosmologiassa niin sanottuja standardoitavia kynttilöitä. Niiden havaittua kirkkautta voidaan käyttää etäisyyksien arviointiin, mutta mittaus edellyttää korjauksia esimerkiksi supernovan ympäristön, isäntägalaksin ja mahdollisen kehityksen vuoksi. Juuri näistä korjauksista kiista nyt pitkälti syntyy.

Pantheon+: vaikuttaako esiasteen ikä tulokseen?

TIFR–Oxford-ryhmä tarkasteli Pantheon+-luetteloa uudelleen ja korjasi Ia-supernovien standardoitua kirkkautta niiden esiasteiden tähtipopulaation iän perusteella. Ryhmän kosmografisessa analyysissä korjaus siirsi hidastumisparametrin koko taivasta kuvaavan monopolikomponentin positiiviseksi eli hidastumiseen viittaavaksi. Samalla paikallinen, massavirtaan kytkeytyvä suunnallinen dipolikomponentti pysyi lähes ennallaan. 3

Tämä ei sellaisenaan tarkoita, että kiihtyvä laajeneminen olisi osoitettu harhaksi. Se tarkoittaa, että jos supernovien kirkkaus muuttuu esiastejärjestelmän iän mukana eikä vaikutusta mallinneta oikein, päätelmät maailmankaikkeuden laajenemishistoriasta voivat muuttua.

Ikäkorjauksen vahvuudesta on myös aitoa erimielisyyttä. Aiemmassa analyysissä pääteltiin, että epävarmuudet kattavammin huomioituna jäljelle jäävä ikä–kirkkaus-yhteys sopi tarkastellussa aineistossa nollaan. 12 Tällaiset systemaattiset epävarmuudet on ratkaistava ennen kuin kalibroinnin muutosta voidaan pitää kosmologisena läpimurtona.

Miksi väite kiihtymisen puuttumisesta on kiistanalainen?

Pantheon+-tulkinta ei ole saanut yksiselitteistä tukea. Myöhempi 1 564 supernovaa käsitellyt uudelleenanalyysi korjasi puolipallotestissä käytetyn koordinaattivirheen. Sen mukaan aineisto jäi kiihtyvän laajenemisen puolelle myös silloin, kun käytettiin toisen ryhmän ikäkorjausta. 2

Myös Dark Energy Surveyn viisivuotisen aineiston lopputulokset tukevat kiihtymistä: supernovahavainnot yksinään edellyttävät tasaisessa ΛCDM-mallissa kiihtymistä yli 5σ:n merkitsevyydellä, kun systemaattiset epävarmuudet otetaan mukaan. Samassa tutkimuksessa pimeä energia oli edelleen noin 2σ:n tarkkuudella yhteensopiva kosmologisen vakion kanssa. 27

Kiista ei siis tiivisty vain kysymykseen “kiihtyykö laajeneminen vai ei?”. Kyse on myös menetelmistä: miten supernovien kehitys, kalibrointi, kohteiden valikoituminen ja paikalliset liikkeet on mallinnettava, jotta havainnoista voidaan tehdä koko maailmankaikkeutta koskeva johtopäätös.

2 884 supernovan Unite-luettelo: muuttuuko pimeä energia?

Toinen tuore tutkimussuunta ei välttämättä kiistä kiihtymistä lainkaan. Yhdistetty Unite-luettelo kokoaa Pantheon+- ja DES-SN5YR-aineistot. Siinä on 2 884 todennäköistä Ia-tyypin supernovaa, ja sitä kuvataan laajimmaksi sisäisesti johdonmukaiseksi tämän lajityypin aineistoksi. 34

Aineiston analyysien on raportoitu suosivan mahdollisuutta, että pimeä energia muuttuu kosmisen ajan kuluessa sen sijaan, että sitä kuvaisi täysin vakio Λ. Kyse ei kuitenkaan ole todistuksesta: tulkinta riippuu käytetystä kosmologisesta mallista ja siitä, mitä muita havaintoaineistoja analyysiin yhdistetään. 37

Suunta on samankaltainen kuin DESI-hankkeen tuloksissa. DESI mittaa galaksijakauman baryonisia akustisia värähtelyjä (BAO), joiden avulla voidaan jäljittää laajenemishistoriaa. DESI:n BAO-aineisto yksin on yhteensopiva vakion tilanyhtälöparametrin kanssa: (w=-0{,}99^{+0{,}15}_{-0{,}13}). Kun aineisto yhdistetään kosmiseen mikroaaltotaustaan (CMB) tai Ia-supernoviin ja (w):n sallitaan muuttua ajan mukana, parametrit suosivat ajassa kehittyvää pimeää energiaa. 25

Se on kiinnostava signaali, ei asian lopullinen ratkaisu.

Mitä tulokset yhdessä voivat tarkoittaa?

Tutkimuslinjat nostavat esiin kolme mahdollisuutta:

• Supernovien systemaattiset epävarmuudet: esiasteiden ikä, isäntägalaksien ominaisuudet, pöly, kalibrointi, aineiston valikoituminen ja paikallinen rakenne voivat muuttaa Ia-supernovista johdettuja etäisyyksiä.
• Ajassa muuttuva pimeä energia: kiihtyminen voi olla todellista, mutta muuttumaton kosmologinen vakio Λ voi olla liian yksinkertainen kuvaus siitä.
• Paikalliset tai suunnalliset vaikutukset: dipolikomponentti voi kuvata havaitsijan paikallista liikettä tai suuria massavirtoja pikemmin kuin kosmisen isotropian perustavaa rikkoutumista.

Mikään näistä vaihtoehdoista ei merkitse ΛCDM-mallin yleistä romahdusta. Malli on yhä havaintokosmologian keskeinen työkehys. Pimeän energian ja pimeän aineen fysikaalista alkuperää ei kuitenkaan tunneta, joten poikkeamia ja alustavia viitteitä on syytä testata erityisen tiukasti.

Rubin-observatorio voi ratkaista osan kiistasta

Vera C. Rubin -observatorion kymmenvuotinen Legacy Survey of Space and Time -kartoitus voi tehdä nykyisestä keskustelusta paljon tarkemman testin. Ennusteiden mukaan LSST voisi koota noin 100 000 Ia-tyypin supernovaa punasiirtymään (z=1) asti. 40

Ratkaisevaa ei ole vain kohteiden määrä. Laaja ja yhdenmukaisempi aineisto, paremmat tiedot isäntägalakseista sekä kattavampi taivaan kartoitus voivat paljastaa, toistuvatko ikäkorjaukset ja suunnalliset poikkeamat. Rubin-observatorion odotetaan mittaavan kartoituksen aikana kymmeniätuhansia hyvin näytteistettyjä Ia-supernovien valokäyriä. 49

Johtopäätös: uudet havainnot lisäävät painetta oletukselle täysin vakiosta Λ:sta, mutta niiden perusteella ei vielä voi sanoa, ettei maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyisi. Ratkaisu riippuu siitä, kykenevätkö seuraavat suuremmat tutkimukset erottamaan kosmisen fysiikan supernovahavaintojen hienovaraisista astrofysikaalisista harhoista.