Neue Supernova-Erkenntnisse bieten Hinweise auf die Expansion des Universums

Forscher der Swinburne University of Technology haben zu einer bahnbrechenden Studie beigetragen, die unser Verständnis des Universums erschwert.

Die Arbeit ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.

Der Dark Energy Survey (DES), dessen Ergebnisse heute veröffentlicht wurden, repräsentiert die Arbeit von über 400 Astrophysikern, Astronomen und Kosmologen aus über 25 Institutionen.

DES-Wissenschaftler sammelten Daten aus 758 Nächten über sechs Jahre hinweg, um die Natur der Dunklen Energie zu verstehen und die Expansionsrate des Universums zu messen. Sie fanden heraus, dass sich die Dichte der dunklen Energie im Universum im Laufe der Zeit verändert haben könnte, so eine neue komplexe Theorie.

Dr. Anais Möller vom Center for Astrophysics and Supercomputing der Swinburne University of Technology war neben Mitchell Dixon von Swinburne, Professor Karl Glazebrook und dem emeritierten Professor Jeremy Mould Teil des Teams, das an dieser revolutionären Analyse arbeitete.

„Diese Ergebnisse, eine Zusammenarbeit von Hunderten von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, sind ein Beweis für die Kraft der Zusammenarbeit und der harten Arbeit, um große wissenschaftliche Fortschritte zu erzielen“, sagt Dr. Möller.

„Ich bin sehr stolz auf die Arbeit, die wir als Team geleistet haben. Es ist eine unglaublich gründliche Analyse, die unsere Unsicherheiten auf ein neues Niveau reduziert und die Leistungsfähigkeit der Dark Energy Survey zeigt. Wir haben nicht nur modernste Daten verwendet.“ , sondern auch bahnbrechende Methoden entwickelt, um das Maximum an Informationen aus der Supernova-Durchmusterung zu extrahieren. Darauf bin ich besonders stolz, da ich die Methode zur Auswahl der für die Durchmusterung verwendeten Supernovae mit maschinellem Lernen entwickelt habe.“

Im Jahr 1998 entdeckten Astrophysiker, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt, was auf ein mysteriöses Wesen namens Dunkle Energie zurückzuführen ist, das etwa 70 % unseres Universums ausmacht. Damals waren sich die Astrophysiker einig, dass sich die Expansion des Universums aufgrund der Schwerkraft verlangsamen sollte.

Diese revolutionäre Entdeckung, die Astrophysiker bei der Beobachtung bestimmter Arten explodierender Sterne, sogenannter Typ-1a-Supernovae, machten, wurde 2011 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt.

Jetzt, 25 Jahre nach der ersten Entdeckung, ist der Dark Energy Survey der Höhepunkt der jahrzehntelangen Forschung von Wissenschaftlern aus aller Welt, die mehr als 1.500 Supernovae analysiert haben und dabei die strengsten Beschränkungen für die Expansion des Universums angewendet haben, die jemals ermittelt wurden. Dies ist die größte Anzahl von Supernovae vom Typ 1a, die jemals zur Begrenzung dunkler Energie in einer einzigen Durchmusterung großer kosmischer Zeiten verwendet wurde.

Die Ergebnisergebnisse stimmen mit dem heute standardmäßigen kosmologischen Modell eines Universums mit beschleunigter Expansion überein. Dennoch sind die Ergebnisse nicht eindeutig genug, um ein möglicherweise komplexeres Modell auszuschließen.

„Über die Dunkle Energie gibt es noch so viel zu entdecken, aber diese Analyse kann schon seit geraumer Zeit als Goldstandard in der Supernova-Kosmologie gelten“, sagt Dr. Moller. „Diese Analyse bringt auch innovative Methoden mit sich, die in der nächsten Generation von Umfragen zum Einsatz kommen werden, sodass wir in der Art und Weise, wie wir Wissenschaft betreiben, einen Sprung machen. Ich freue mich darauf, im kommenden Jahrzehnt mehr über das Geheimnis der dunklen Energie aufzudecken.“ „

Pionierarbeit für einen neuen Ansatz

Die neue Studie war Vorreiter bei einem neuen Ansatz zur Verwendung der Photometrie – mit beispiellosen vier Filtern –, um die Supernovae zu finden, sie zu klassifizieren und ihre Lichtkurven zu messen. Dr. Möller entwickelte die Methode zur Auswahl dieser Supernovae vom Typ 1a mithilfe moderner maschineller Lernverfahren.

„Es sind sehr aufregende Zeiten zu sehen, wie diese innovative Technologie die Leistungsfähigkeit großer astronomischer Untersuchungen nutzt“, sagt sie. „Wir sind nicht nur in der Lage, mehr Supernovae vom Typ 1a als zuvor zu erhalten, sondern wir haben diese Methoden auch gründlich getestet, da wir präzisere Messungen zur grundlegenden Physik unseres Universums durchführen wollen.“

Diese Technik erfordert Daten von Supernovae vom Typ 1a, die entstehen, wenn ein extrem dichter toter Stern, ein sogenannter Weißer Zwerg, eine kritische Masse erreicht und explodiert. Da die kritische Masse für alle Weißen Zwerge nahezu gleich ist, haben alle Supernovae vom Typ 1a ungefähr die gleiche tatsächliche Helligkeit und alle verbleibenden Variationen können herauskalibriert werden. Wenn Astrophysiker also die scheinbare Helligkeit zweier Typ-1a-Supernovae von der Erde aus vergleichen, können sie deren relative Entfernung von uns bestimmen.

Astrophysiker verfolgen die Geschichte der kosmischen Expansion anhand großer Proben von Supernovae über einen weiten Entfernungsbereich. Für jede Supernova kombinieren sie ihre Entfernung mit einer Messung ihrer Rotverschiebung – wie schnell sie sich aufgrund der Expansion des Universums von der Erde entfernt. Anhand dieser Historie können sie feststellen, ob die Dichte der dunklen Energie konstant geblieben ist oder sich im Laufe der Zeit verändert hat.

Die Ergebnisse ergaben w = –0,80 +/- 0,18 unter alleiniger Verwendung von Supernovae. In Kombination mit ergänzenden Daten des Planck-Teleskops der Europäischen Weltraumorganisation erreicht w –1 innerhalb der Fehlerbalken. Um zu einer endgültigen Schlussfolgerung zu gelangen, benötigen Wissenschaftler mithilfe einer neuen Umfrage mehr Daten.

Die DES-Forscher verwendeten fortschrittliche Techniken des maschinellen Lernens, um die Supernova-Klassifizierung zu unterstützen. Unter den Daten von etwa zwei Millionen entfernten beobachteten Galaxien fand DES mehrere tausend Supernovae. Letztendlich nutzten die Wissenschaftler 1.499 Typ-1a-Supernovae mit hochwertigen Daten, was es zur größten und tiefsten Supernova-Probe eines einzelnen Teleskops macht, die jemals zusammengestellt wurde. Im Jahr 1998 ermittelten die mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Astronomen anhand von nur 52 Supernovae, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.