Kosmologer har hittat ett sätt att fördubbla noggrannheten för att mäta avstånd till supernovaexplosioner - ett av deras beprövade verktyg för att studera den mystiska mörka energin som får universum att expandera snabbare och snabbare. Resultaten från Nearby Supernova Factory (SNfactory) samarbete, ledd av Greg Aldering från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kommer att göra det möjligt för forskare att studera mörk energi med kraftigt förbättrad precision och noggrannhet, och ger en kraftfull crosscheck av tekniken över stora avstånd och tid. Fynden kommer också att vara centrala för stora kommande kosmologiska experiment som kommer att använda nya mark- och rymdteleskop för att testa alternativa förklaringar av mörk energi.

Två artiklar publicerade i Astrofysisk tidskrift rapportera dessa fynd, med Kyle Boone som huvudförfattare. För närvarande en postdoktor vid University of Washington, Boone är en tidigare doktorand till Nobelpristagaren Saul Perlmutter, seniorforskaren från Berkeley Lab och professor vid UC Berkeley som ledde ett av teamen som ursprungligen upptäckte mörk energi. Perlmutter var också medförfattare till båda studierna.

Supernovor användes 1998 för att göra den häpnadsväckande upptäckten att universums expansion påskyndas, snarare än att sakta ner som förväntat. Denna acceleration – som tillskrivs den mörka energin som utgör två tredjedelar av all energi i universum – har sedan dess bekräftats av en mängd olika oberoende tekniker såväl som med mer detaljerade studier av supernovor.

Upptäckten av mörk energi förlitade sig på att använda en speciell klass av supernovor, Typ Ia. Dessa supernovor exploderar alltid med nästan samma inneboende maximala ljusstyrka. Eftersom den observerade maximala ljusstyrkan för supernovan används för att sluta sig till dess avstånd, de små återstående variationerna i den inneboende maximala ljusstyrkan begränsade precisionen med vilken mörk energi kunde testas. Trots 20 år av förbättringar av många grupper, Supernovastudier av mörk energi har hittills varit begränsade av dessa variationer.

Fyrdubbling av antalet supernovor

De nya resultaten som meddelats av SNfactory kommer från en flerårig studie som helt ägnas åt att öka precisionen av kosmologiska mätningar gjorda med supernovor. Mätning av mörk energi kräver jämförelser av den maximala ljusstyrkan för avlägsna supernovor miljarder ljusår bort med de för närliggande supernovor "bara" 300 miljoner ljusår bort. Teamet studerade hundratals sådana närliggande supernovor i utsökt detalj. Varje supernova mättes ett antal gånger, med några dagars mellanrum. Varje mätning undersökte supernovans spektrum, registrerar dess intensitet över våglängdsområdet för synligt ljus. Ett instrument skräddarsytt för denna undersökning, SuperNova Integral Field Spectrometer, installerat vid University of Hawaii 2,2-meters teleskop i Maunakea, användes för att mäta spektra.

"Vi har länge haft den här idén att om fysiken för explosionen av två supernovor var densamma, deras maximala ljusstyrkor skulle vara desamma. Genom att använda Nearby Supernova Factory-spektra som en sorts CAT-skanning genom supernovaexplosionen, vi kan testa den här idén, sa Perlmutter.

Verkligen, många år sedan, fysiker Hannah Fakhouri, sedan en doktorand som arbetar med Perlmutter, gjorde en upptäcktsnyckel till dagens resultat. När man tittar på en mängd spektra tagna av SNfactory, hon fann att i ett ganska antal fall, spektra från två olika supernovor såg nästan identiska ut. Bland de 50 eller så supernovorna, några var praktiskt taget enäggstvillingar. När de vickande spektra av ett tvillingpar lades ovanpå, för ögat fanns det bara ett enda spår. Den nuvarande analysen bygger på denna observation för att modellera supernovornas beteende under perioden nära tiden för deras maximala ljusstyrka.

Det nya verket fyrdubblar nästan antalet supernovor som används i analysen. Detta gjorde urvalet tillräckligt stort för att tillämpa maskininlärningstekniker för att identifiera dessa tvillingar, leder till upptäckten att typ Ia supernovaspektra varierar på bara tre sätt. Supernovornas inneboende ljusstyrkor beror också främst på dessa tre observerade skillnader, vilket gör det möjligt att mäta supernovaavstånd till en anmärkningsvärd noggrannhet på cirka 3 %.

Lika viktigt, denna nya metod lider inte av de fördomar som har drabbat tidigare metoder, ses när man jämför supernovor som finns i olika typer av galaxer. Eftersom närliggande galaxer är något annorlunda än avlägsna galaxer, det fanns en allvarlig oro för att ett sådant beroende skulle ge falska avläsningar i mätningen av mörk energi. Nu kan denna oro avsevärt minskas genom att mäta avlägsna supernovor med denna nya teknik.

I beskrivningen av detta arbete, Boone noterade, "Konventionell mätning av supernovaavstånd använder ljuskurvor – bilder tagna i flera färger när en supernova ljusnar och bleknar. Istället vi använde ett spektrum av varje supernova. Dessa är så mycket mer detaljerade, och med maskininlärningstekniker blev det sedan möjligt att urskilja det komplexa beteendet som var nyckeln till att mäta mer exakta avstånd."

Resultaten från Boones artiklar kommer att gynna två kommande stora experiment. Det första experimentet kommer att vara vid det 8,4 meter långa Rubin-observatoriet, under uppbyggnad i Chile, med sin arvsundersökning av rum och tid, ett gemensamt projekt av Department of Energy och National Science Foundation. Det andra är NASA:s kommande Nancy Grace Roman Space Telescope. Dessa teleskop kommer att mäta tusentals supernovor för att ytterligare förbättra mätningen av mörk energi. De kommer att kunna jämföra sina resultat med mätningar gjorda med hjälp av kompletterande tekniker.

Aldering, också en medförfattare på tidningarna, observerade att "inte bara är denna avståndsmätningsteknik mer exakt, det kräver bara ett enda spektrum, tagen när en supernova är som ljusast och därmed lättast att observera – en spelväxlare!" Att ha en mängd olika tekniker är särskilt värdefullt på detta område där förutfattade meningar har visat sig vara felaktiga och behovet av oberoende verifiering är stort.