Supernovadata utfordrer konstant mørk energi – ikke kosmisk akselerasjon ennå

Den mest nøkterne tolkningen av de nye resultatene er at antakelsen om konstant mørk energi blir testet hardere – ikke at den kosmiske akselerasjonen er avlivet.

Type Ia-supernovaer fungerer som «standardiserbare stearinlys»: Astronomene kan bruke den målte lysstyrken til å anslå avstanden. Men metoden avhenger av korreksjoner for blant annet stjernenes miljø, støv, utvalgseffekter og mulig utvikling i supernovaenes egenskaper. Det er nettopp slike korreksjoner den nye uenigheten handler om.

Pantheon+: Kan alderen til forløperstjernene endre konklusjonen?

TIFR–Oxford-gruppen har analysert Pantheon+-katalogen på nytt med en korreksjon for at den standardiserte lysstyrken til Type Ia-supernovaer kan avhenge av alderen på den opprinnelige stjernepopulasjonen. I deres kosmografiske analyse flyttet korreksjonen den gjennomsnittlige, såkalte monopole komponenten av bremseparameteren til positive verdier – altså i retning av avtakende utvidelse. Samtidig var en lokal, retningsavhengig dipolkomponent, knyttet til en storskala bevegelsesstrøm, nesten uendret. 3

Det betyr ikke automatisk at akselerasjonen er en illusjon. Det betyr at dersom supernovaenes lysstyrke faktisk utvikler seg med alderen til forløpersystemet, og dette ikke er modellert riktig, kan det påvirke hva man utleder om universets utvidelseshistorie.

Hvor sterk denne alderskorreksjonen er, er imidlertid omstridt. En tidligere studie konkluderte med at den gjenværende sammenhengen mellom alder og lysstyrke var forenlig med null når usikkerhetene ble behandlet mer fullstendig. 12 Dette er akkurat typen systematisk usikkerhet som må avklares før en ny kalibrering kan tolkes som en kosmologisk oppdagelse.

Innvendingen: Dataene viser fortsatt akselerasjon

En senere nyanalyse av 1 564 supernovaer rapporterte at den rettet en koordinatfeil i testen som delte himmelen i halvkuler. Studien fant at hele utvalget fortsatt lå i et akselererende regime etter at samme alderskorreksjon var brukt. 2

Det endelige femårsmaterialet fra Dark Energy Survey kom dessuten til at supernovadata, innenfor en flat ΛCDM-modell og med systematiske usikkerheter inkludert, krever akselerasjon med mer enn 5 sigma. Den samme analysen fant at mørk energi fortsatt er forenlig med en kosmologisk konstant innen omtrent 2 sigma. 27

Dermed handler debatten ikke bare om «akselerasjon eller ikke». Den handler også om metode: Hvilke modeller for supernovautvikling, kalibrering, utvalg og lokale bevegelser er gode nok til å trekke en global kosmologisk konklusjon?

2 884 supernovaer: Tegn på mørk energi i endring?

En annen fersk retning i forskningen avviser ikke nødvendigvis akselerasjonen. Den sammenslåtte Unite-katalogen kombinerer Pantheon+ og DES-SN5YR og inneholder 2 884 sannsynlige Type Ia-supernovaer. Den beskrives som det mest omfattende og internt konsistente datagrunnlaget av denne typen. 34

Analyser av katalogen er blitt omtalt som en preferanse for mørk energi som endrer seg gjennom den kosmiske tiden, fremfor en fullstendig konstant kosmologisk konstant, Λ. Det er ikke et bevis, og resultatet avhenger av den kosmologiske modellen og hvilke datasett som kombineres. 37

Dette går i samme retning som interessante signaler fra DESI, Dark Energy Spectroscopic Instrument. DESIs BAO-målinger – spor etter baryonakustiske svingninger i galaksefordelingen – er alene forenlige med en konstant tilstandslikning, med (w=-0{,}99^{+0{,}15}_{-0{,}13}). Men når de kombineres med data fra den kosmiske mikrobølgebakgrunnen eller Type Ia-supernovaer, og (w) får variere over tid, oppstår en preferanse for tidsvarierende mørk energi. 25

Hva funnene samlet kan bety

De to forskningssporene peker mot ulike, men ikke gjensidig utelukkende, muligheter:

• Systematiske effekter i supernovamålingene: Alderen på forløperstjerner, vertsgalaksers egenskaper, støv, kalibrering, utvalgseffekter og lokal struktur kan påvirke avstandene som beregnes fra Type Ia-supernovaer.
• Mørk energi som ikke er konstant: Akselerasjonen kan være reell, mens beskrivelsen med en uforanderlig Λ er for enkel.
• Lokale eller retningsavhengige effekter: En dipolkomponent kan skyldes vår lokale bevegelse eller store materiestrømmer, snarere enn et grunnleggende brudd på universets isotropi.

Ingen av disse mulighetene innebærer at ΛCDM-modellen generelt har falt. Den er fortsatt standardrammen i observasjonell kosmologi. Men den fysiske naturen til både mørk energi og mørk materie er ukjent, og derfor må avvik og antydninger undersøkes strengt.

Rubin-observatoriet kan gi en langt skarpere test

Den tiårige Legacy Survey of Space and Time ved Vera C. Rubin Observatory kan gi et vesentlig bedre datagrunnlag. Prognoser for LSST anslår at undersøkelsen kan samle rundt 100 000 Type Ia-supernovaer ut til rødforskyvning (z=1). 40

Den viktigste gevinsten er ikke bare flere objekter. Et større og mer ensartet utvalg, bedre informasjon om vertsgalaksene og bredere dekning av himmelen kan teste om alderskorreksjoner og retningsavhengige avvik faktisk gjentar seg. Rubin forventes å levere titusenvis av godt målte lyskurver for Type Ia-supernovaer gjennom undersøkelsen. 49

Kort sagt: De nye dataene øker presset på den enkleste antakelsen om en konstant Λ, men de gir foreløpig ikke grunnlag for å slå fast at universet ikke utvider seg akselererende. Svaret avhenger av om kommende, større undersøkelser klarer å skille kosmisk fysikk fra små, men avgjørende, astrofysiske skjevheter i supernovadataene.