暗能量调查的最终超新星结果提供了对宇宙膨胀的独特见解

1998年，天体物理学家发现宇宙正在加速膨胀，这归因于一种称为暗能量的神秘实体，暗能量约占我们宇宙的70%。虽然早期的测量预示了这一点，但这一发现多少有些出人意料;当时，天体物理学家一致认为，由于引力的作用，宇宙的膨胀应该会放缓。

这一革命性的发现是天体物理学家通过观察特定类型的爆发恒星(称为Ia型超新星)而实现的，该发现获得了2011年诺贝尔物理学奖。

现在，在最初发现的25年后，从事暗能量调查的科学家们发布了一项前所未有的分析结果，使用相同的技术进一步探索暗能量和宇宙膨胀的奥秘。

他们对DES超新星调查所获得的宇宙膨胀施加了最强的约束。

在243的演示中注册营养师美国天文学会会议于2011年1月15日举行。

8并在提交给天体物理学杂志在一月份题为“暗能量调查:使用完整的5年数据集对约1500颗新的高红移Ia型超新星的宇宙学结果”的报告中，DES天体物理学家报告了与现在标准的宇宙加速膨胀宇宙学模型一致的结果。

然而，这些发现还不足以确定排除一个可能更复杂的模型。

采用独特的分析方法

暗能量调查是一项国际合作，由来自美国能源部费米国家加速器实验室成员领导的超过25个机构的400多名天体物理学家、天文学家和宇宙学家组成。

DES使用暗能量相机绘制了几乎占整个天空八分之一的区域，暗能量相机是由费米实验室建造的5.7亿像素的数码相机，由能源部科学办公室资助。

它被安装在国家科学基金会赛罗·托洛洛美洲天文台的Víctor M. Blanco望远镜上，这是国家科学基金会NOIRLab于2012年开展的一项计划。

DES的科学家们在六年间收集了758个夜晚的数据。

为了了解暗能量的本质和测量宇宙的膨胀速度，DES的科学家用四种不同的技术进行分析，包括1998年使用的超新星技术。

这项技术需要Ia型超新星的数据，当一颗密度极高的死星，即白矮星，达到临界质量并爆炸时，就会发生这种情况。

由于所有白矮星的临界质量几乎相同，所以所有Ia型超新星的实际亮度几乎相同，任何剩余的变化都可以被校准掉。

因此，当天体物理学家比较从地球上看到的两颗Ia型超新星的亮度时，他们可以确定它们离我们的相对距离。

天体物理学家通过跨度很大的超新星样本来追溯宇宙膨胀的历史。

对于每一颗超新星，他们都将其距离与红移测量值相结合-由于宇宙膨胀，它远离地球的速度有多快。

他们可以利用这段历史来确定暗能量密度是保持不变还是随着时间的推移而变化。

“随着宇宙的膨胀，物质密度下降，”DES主任兼发言人里奇·克朗说，他是费米实验室和芝加哥大学的科学家。

“但如果暗能量密度是一个常数，那就意味着暗能量的总比例肯定随着体积的增加而增加。”

十年努力的最终成果

标准的宇宙学模型是CDM，或λ冷暗物质，或λ冷暗物质，这是一个基于暗能量密度在宇宙时间内恒定的模型。

它告诉我们宇宙是如何演化的，仅仅使用几个特征，例如物质的密度、物质的类型和暗能量的行为。

超新星方法很好地限制了其中的两个特征:物质密度和一个称为w，这表明暗能量密度是否恒定。

根据标准宇宙学模型，宇宙中暗能量的密度是恒定的，这意味着它不会随着宇宙的膨胀而稀释。

如果这是真的，由字母表示的参数w应该等于-1。

当DES合作在内部公布他们的超新星研究结果时，这是十年努力的高潮，也是许多参与其中的天体物理学家的激动时刻。

“我当时在发抖，”澳大利亚昆士兰大学教授、DES超新星工作组联合召集人塔玛拉·戴维斯说。

“这绝对是一个激动人心的时刻。”

结果发现w= -0.80 +/- 0.18单独使用超新星。

结合欧洲航天局普朗克望远镜的补充数据，w在误差线内达到-1。

"w虽然不完全是-1，但也很接近于-1，”戴维斯说。

“可能需要一个更复杂的模型。暗能量确实可能随时间而变化。”

为了得出明确的结论，科学家们需要更多的数据。

但DES无法提供这一点;该调查于2019年1月停止收集数据。

由许多博士生和博士后研究员领导的超新星团队将很快从DES观测中提取出他们所能提取的所有信息。

杜克大学研究员玛丽亚·文森齐说:“30多人参与了这项分析，这是近10年工作的高潮。”她是DES超新星样本宇宙学分析的共同领导者。

“我们中的一些人在刚开始攻读博士学位时就开始从事这个项目，现在我们开始担任教职。因此，DES合作促进了整整一代宇宙学家的成长和专业发展。”

开创一种新方法

这一最终的DES超新星分析对DES在2018年发布的第一个超新星结果进行了许多改进，该结果仅使用了207颗超新星和三年的数据。

在2018年的分析中，DES的科学家结合了每颗超新星的光谱数据，以确定它们的红移，并将其归类为Ia型或非Ia型。

然后，他们使用不同滤镜拍摄的图像来识别光曲线峰值的光通量-这种方法称为光度测定法。

但是光谱很难获得，需要在最大的望远镜上进行大量的观察时间，这对于未来的暗能量调查来说是不切实际的，比如LSST时空遗产调查，该调查将在维拉·鲁宾天文台进行，该天文台由国家科学基金会的尼尔实验室和能源部的SLAC国家加速器实验室联合运营。

这项新研究开创了一种使用光度学的新方法——使用前所未有的四种滤光片——来发现超新星，对它们进行分类并测量它们的光变曲线。

英澳望远镜对主星系的后续光谱分析为每颗超新星提供了精确的红移。

使用额外的过滤器还使数据比以前的调查更精确，与获得诺贝尔奖的超新星样本相比是一个重大进步，后者仅使用了一两个过滤器。

DES的研究人员使用先进的机器学习技术来帮助超新星分类。

在来自大约200万个遥远观测星系的数据中，DES发现了数千颗超新星。

科学家最终使用了1499颗Ia型超新星的高质量数据，使其成为有史以来单个望远镜中最大、最深的超新星样本。

1998年，获得诺贝尔奖的天文学家仅用52颗超新星就确定了宇宙正在加速膨胀。

“与25年前相比，这确实是一个巨大的提升，”戴维斯说。

与光谱学相比，新的光度学方法有一些小缺点:由于超新星没有光谱，分类的不确定性更大。

然而，光度测量法带来的大得多的样品量大大弥补了这一不足。

DES开创的创新技术将塑造并进一步推动未来的天体物理分析。

鲁宾的LSST和美国国家航空航天局的南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜等项目将继续完成德斯的工作。

“我们正在开拓这些技术，这些技术将直接有益于下一代超新星调查，”克朗说。

波士顿大学助理教授狄龙·布劳特(Dillon Brout)说:“这个新的超新星结果令人兴奋，因为这意味着我们真的可以在它上面系一个蝴蝶结，并将其分发给社区，并说‘这是我们解释宇宙如何运作的最佳尝试’。”狄龙·布劳特与文森齐共同领导了对DES超新星样本的宇宙学分析。

“在相当长的一段时间内，这些约束将成为超新星宇宙学的黄金标准。“

即使更先进的暗能量实验即将到来，DES的科学家们也强调了除了他们的实验观察外，还有理论模型来解释暗能量的重要性。

“所有这些都是未知的领域，”克朗说。“我们没有一种理论可以将暗能量纳入与我们所理解的其他物理学相关的框架中。目前，我们在DES的工作是限制暗能量在实践中的工作方式，并期望以后一些理论可以被证伪。

DES科学家通过将超新星结果与其他DES技术获得的结果相结合，继续在更多的分析中使用这些结果。

戴维斯说:“将DES超新星信息与其他探测器结合起来将更好地为我们的宇宙学模型提供信息。”

“即使我们无限精确地测量暗能量，也不意味着我们知道它是什么，”她说。“暗能量仍有待发现。“

来源: Materials provided by DOE/Fermi National Accelerator Laboratory. Original written by Madeleine O’Keefe.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: The Dark Energy Survey: Cosmology Results With ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using The Full 5-year Dataset. The Dark Energy Survey Collaboration. Submitted to arXiv and also Astrophysical Journal, 2024 [abstract]