Noong 1998, natuklasan ng mga astrophysicist na ang uniberso ay lumalawak sa bilis na bilis, na iniuugnay sa isang mahiwagang entity na tinatawag na dark energy na bumubuo sa halos 70% ng ating uniberso. Habang inilarawan ng mga naunang sukat, ang pagtuklas ay medyo isang sorpresa; noong panahong iyon, sumang-ayon ang mga astrophysicist na dapat bumagal ang paglawak ng uniberso dahil sa gravity.
Ang rebolusyonaryong pagtuklas na ito, na nakamit ng mga astrophysicist sa pamamagitan ng mga obserbasyon ng mga partikular na uri ng sumasabog na mga bituin, na tinatawag na type Ia (basahin ang “type one-A”) supernovae, ay kinilala ng Nobel Prize sa Physics noong 2011.
Ngayon, 25 taon pagkatapos ng unang pagtuklas, ang mga siyentipiko na nagtatrabaho sa Dark Energy Survey ay naglabas ng mga resulta ng isang hindi pa naganap na pagsusuri gamit ang parehong pamamaraan upang higit pang suriin ang mga misteryo ng madilim na enerhiya at ang pagpapalawak ng uniberso. Inilagay nila ang pinakamalakas na hadlang sa pagpapalawak ng uniberso na nakuha sa survey ng DES supernova.
Sa isang pagtatanghal sa 243rd pulong ng American Astronomical Society noong Enero 8 at sa isang papel na isinumite sa Astrophysical Journal noong Enero na pinamagatang, “The Dark Energy Survey: Cosmology results with ~1500 new high-redshift type Ia supernovae using the full 5-year dataset,” nag-uulat ang mga astrophysicist ng DES ng mga resulta na naaayon sa ngayon-standard na cosmological model ng isang uniberso na may pinabilis na pagpapalawak. Gayunpaman, ang mga natuklasan ay hindi sapat na tiyak upang ibukod ang isang posibleng mas kumplikadong modelo.
Gumagawa ng kakaibang diskarte sa pagsusuri
Ang Dark Energy Survey ay isang internasyonal na pakikipagtulungan na binubuo ng higit sa 400 astrophysicist, astronomer at cosmologist mula sa mahigit 25 institusyon na pinamumunuan ng mga miyembro mula sa Fermi National Accelerator Laboratory ng US Department of Energy. Na-map ng DES ang isang lugar na halos one-eighth ng buong kalangitan gamit ang Dark Energy Camera, isang 570-megapixel digital camera na binuo ni Fermilab at pinondohan ng DOE Office of Science. Naka-mount ito sa Víctor M. Blanco Telescope sa Cerro Tololo Inter-American Observatory ng National Science Foundation, isang Programa ng NOIRLab ng NSF noong 2012. Kinuha ng mga siyentipiko ng DES ang data sa loob ng 758 gabi sa loob ng anim na taon.
Upang maunawaan ang likas na katangian ng madilim na enerhiya at sukatin ang bilis ng pagpapalawak ng uniberso, ang mga siyentipiko ng DES ay nagsasagawa ng mga pagsusuri gamit ang apat na magkakaibang pamamaraan, kabilang ang supernova technique na ginamit noong 1998.
Ang diskarteng ito ay nangangailangan ng data mula sa uri ng Ia supernovae, na nangyayari kapag ang isang napakasiksik na patay na bituin, na kilala bilang isang puting dwarf, ay umabot sa isang kritikal na masa at sumasabog. Dahil ang critical mass ay halos pareho para sa lahat ng white dwarf, lahat ng uri ng Ia supernovae ay may humigit-kumulang parehong aktwal na liwanag at anumang natitirang mga variation ay maaaring i-calibrate. Kaya, kapag inihambing ng mga astrophysicist ang maliwanag na ningning ng dalawang uri ng Ia supernovae na nakikita mula sa Earth, matutukoy nila ang kanilang mga relatibong distansya mula sa atin.
Sinusubaybayan ng mga Astrophysicist ang kasaysayan ng cosmic expansion na may malalaking sample ng supernovae na sumasaklaw sa malawak na hanay ng mga distansya. Para sa bawat supernova, pinagsasama nila ang distansya nito sa isang sukat ng redshift nito — kung gaano ito kabilis lumayo sa Earth dahil sa paglawak ng uniberso. Magagamit nila ang kasaysayang iyon upang matukoy kung ang dark energy density ay nanatiling pare-pareho o nagbago sa paglipas ng panahon.
“Habang lumalawak ang uniberso, bumababa ang density ng bagay,” sabi ng direktor at tagapagsalita ng DES na si Rich Kron, na isang siyentipiko ng Fermilab at University of Chicago. “Ngunit kung ang dark energy density ay pare-pareho, nangangahulugan iyon na ang kabuuang proporsyon ng dark energy ay dapat na tumataas habang tumataas ang volume.”
Ang kasukdulan ng isang dekada ng pagsisikap
Ang karaniwang modelo ng kosmolohiya ay ΛCDM, o Lambda Cold Dark Matter, o Lambda Cold Dark Matter, isang modelong batay sa dark energy density na pare-pareho sa panahon ng cosmic. Sinasabi nito sa atin kung paano umuunlad ang uniberso, gamit lamang ang ilang mga tampok, tulad ng density ng matter, uri ng matter at pag-uugali ng dark energy. Pinipigilan ng supernova na pamamaraan ang dalawa sa mga tampok na ito: density ng bagay at isang dami na tinatawag wna nagpapahiwatig kung ang dark energy density ay pare-pareho o hindi.
Ayon sa karaniwang modelo ng kosmolohiya, ang density ng madilim na enerhiya sa uniberso ay pare-pareho, na nangangahulugang hindi ito lumalabnaw habang lumalawak ang uniberso. Kung ito ay totoo, ang parameter na kinakatawan ng titik w dapat katumbas ng -1.
Nang ang pakikipagtulungan ng DES ay panloob na inihayag ang kanilang mga resulta ng supernova, ito ay isang paghantong ng isang dekada na halaga ng pagsisikap at isang emosyonal na oras para sa marami sa mga astrophysicist na kasangkot. “Ako ay nanginginig,” sabi ni Tamara Davis, isang propesor sa University of Queensland sa Australia at co-convener ng supernova working group ng DES. “Ito ay talagang isang kapana-panabik na sandali.”
Nahanap ang mga resulta w = -0.80 +/- 0.18 gamit ang supernovae lamang. Kasama ng komplementaryong data mula sa Planck telescope ng European Space Agency, w umabot sa -1 sa loob ng mga error bar. “w ay mapanukso na hindi eksakto sa -1, ngunit sapat na malapit na ito ay pare-pareho sa -1,” sabi ni Davis. “Maaaring kailanganin ang isang mas kumplikadong modelo. Maaaring mag-iba talaga ang madilim na enerhiya sa paglipas ng panahon.”
Upang makarating sa isang tiyak na konklusyon, ang mga siyentipiko ay mangangailangan ng higit pang data. Ngunit hindi iyon maibibigay ng DES; ang survey ay huminto sa pagkuha ng data noong Enero 2019. Ang supernova team, na pinamumunuan ng maraming Ph.D. mga mag-aaral at postdoctoral fellows, ay malapit nang makuha ang lahat ng kanilang makakaya mula sa mga obserbasyon ng DES.
“Higit sa 30 katao ang kasangkot sa pagsusuri na ito, at ito ang kasukdulan ng halos 10 taon ng trabaho,” sabi ni Maria Vincenzi, isang research fellow sa Duke University na co-lead sa cosmological analysis ng DES supernova sample. “Ang ilan sa amin ay nagsimulang magtrabaho sa proyektong ito noong kami ay halos sa simula ng aming Ph.D., at kami ay nagsisimula na ngayon sa mga posisyon ng faculty. Kaya, ang DES Collaboration ay nag-ambag sa paglago at propesyonal na pag-unlad ng isang buong henerasyon ng mga cosmologist. “
Pangunguna sa isang bagong diskarte
Ang huling pagsusuri ng DES supernova na ito ay gumawa ng maraming pagpapabuti sa unang resulta ng supernova ng DES na inilabas noong 2018 na gumamit lamang ng 207 supernovae at tatlong taon ng data.
Para sa pagsusuri sa 2018, pinagsama ng mga siyentipiko ng DES ang data tungkol sa spectrum ng bawat supernova upang matukoy ang kanilang mga redshift at upang uriin ang mga ito bilang uri Ia o hindi. Pagkatapos ay gumamit sila ng mga larawang kinunan gamit ang iba’t ibang mga filter upang matukoy ang flux sa tuktok ng light curve — isang paraan na tinatawag na photometry. Ngunit ang spectra ay mahirap makuha, na nangangailangan ng maraming oras ng pagmamasid sa mga pinakamalaking teleskopyo, na magiging hindi praktikal para sa hinaharap na dark energy survey tulad ng Legacy Survey of Space and Time, LSST, na isasagawa sa Vera C. Rubin Observatory, na sabay-sabay na pinapatakbo. ng NOIRLab ng NSF at ng SLAC National Accelerator Laboratory ng DOE.
Pinasimuno ng bagong pag-aaral ang isang bagong diskarte sa paggamit ng photometry — na may hindi pa nagagawang apat na filter — upang mahanap ang supernovae, uriin ang mga ito at sukatin ang kanilang mga light curve. Ang follow-up spectroscopy ng host galaxy gamit ang Anglo-Australian Telescope ay nagbigay ng mga tumpak na redshift para sa bawat supernova. Ang paggamit ng mga karagdagang filter ay pinagana rin ang data na mas tumpak kaysa sa mga nakaraang survey at isang malaking pag-unlad kumpara sa mga sample ng supernovae na nanalo ng Nobel, na gumamit lamang ng isa o dalawang filter.
Gumamit ang mga mananaliksik ng DES ng mga advanced na diskarte sa machine-learning upang tumulong sa pag-uuri ng supernova. Kabilang sa data mula sa humigit-kumulang dalawang milyong malalayong naobserbahang mga kalawakan, natagpuan ng DES ang ilang libong supernovae. Sa huli, gumamit ang mga siyentipiko ng 1,499 type Ia supernovae na may mataas na kalidad na data, na ginagawa itong pinakamalaki, pinakamalalim na sample ng supernova mula sa isang teleskopyo na naipon kailanman. Noong 1998, ang mga astronomo na nanalo ng Nobel ay gumamit lamang ng 52 supernovae upang matukoy na ang uniberso ay lumalawak sa isang mabilis na bilis. “Ito ay talagang napakalaking scale-up mula sa 25 taon na ang nakakaraan,” sabi ni Davis.
May mga maliliit na disbentaha ng bagong photometric approach kumpara sa spectroscopy: Dahil ang supernovae ay walang spectra, mayroong mas malaking kawalan ng katiyakan sa pag-uuri. Gayunpaman, ang mas malaking sukat ng sample na pinagana ng photometric na diskarte ay higit pa sa bumubuo dito.
Ang mga makabagong pamamaraan na pinasimunuan ng DES ay huhubog at higit pang magtutulak ng mga pagsusuri sa astropisiko sa hinaharap. Ang mga proyekto tulad ng LSST ni Rubin at ng Nancy Grace Roman Space Telescope ng NASA ay magpapatuloy kung saan huminto ang DES. “Pioneering namin ang mga diskarteng ito na direktang kapaki-pakinabang para sa susunod na henerasyon ng mga supernova survey,” sabi ni Kron.
“Ang bagong resulta ng supernova na ito ay kapana-panabik dahil nangangahulugan ito na maaari nating itali ang isang busog dito at ibigay ito sa komunidad at sabihin, ‘Ito ang aming pinakamahusay na pagtatangka sa pagpapaliwanag kung paano gumagana ang uniberso,'” sabi ni Dillon Brout, isang katulong propesor sa Boston University na co-lead sa cosmological analysis ng DES Supernova sample kasama si Vincenzi. “Ang mga hadlang na ito ay magiging pamantayan ng ginto sa supernova cosmology sa loob ng mahabang panahon.”
Kahit na may paparating na mas advanced na dark energy experiments, binigyang-diin ng mga DES scientist ang kahalagahan ng pagkakaroon ng mga teoretikal na modelo upang ipaliwanag ang dark energy bilang karagdagan sa kanilang mga eksperimentong obserbasyon. “Ang lahat ng ito ay talagang hindi kilalang teritoryo,” sabi ni Kron. “Wala kaming teorya na naglalagay ng madilim na enerhiya sa isang balangkas na nauugnay sa iba pang pisika na naiintindihan namin. Sa ngayon, kami sa DES ay nagsusumikap na hadlangan kung paano gumagana ang madilim na enerhiya sa pagsasanay na may inaasahan na, sa susunod, ang ilang mga teorya ay maaaring palsipikado.”
Patuloy na ginagamit ng mga siyentipiko ng DES ang mga resulta ng supernova sa mas maraming pagsusuri sa pamamagitan ng pagsasama ng mga ito sa mga resultang nakuha sa iba pang mga diskarte sa DES. “Ang pagsasama-sama ng impormasyon ng DES supernova sa iba pang mga probes na ito ay mas makakapagbigay-alam sa aming cosmological model,” sabi ni Davis.
“Kahit na sukatin natin ang madilim na enerhiya nang walang hanggan, hindi ito nangangahulugan na alam natin kung ano ito,” sabi niya. “Ang madilim na enerhiya ay nasa labas pa rin upang matuklasan.”
