لقد وجد علماء الكونيات طريقة لمضاعفة صحة قياس المسافات إلى انفجارات المستعر الأعظم – إحدى أدواتهم المجربة والحقيقية لدراسة الطاقة المظلمة الغامضة التي تجعل الكون يتمدد بشكل أسرع وأسرع. ستمكّن نتائج التعاون مع مصنع سوبر نوفا القريب (SNfactory) ، بقيادة جريج ألدرينج من مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة (مختبر بيركلي) ، العلماء من دراسة الطاقة المظلمة بدقة ودقة محسنتين بشكل كبير ، وتوفير فحص متقاطع قوي لـ التقنية عبر مسافات طويلة ووقت. ستكون النتائج أيضًا مركزية للتجارب الكونية الرئيسية القادمة التي ستستخدم تلسكوبات أرضية وفضائية جديدة لاختبار تفسيرات بديلة للطاقة المظلمة.
تم نشر ورقتين في مجلة الفيزياء الفلكية الإبلاغ عن هذه النتائج ، مع كايل بون كمؤلف رئيسي. حاليًا ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة واشنطن، بون هو طالب دراسات عليا سابق في Saul Perlmutter الحائز على جائزة نوبل ، وكبير علماء مختبر بيركلي وأستاذ جامعة كاليفورنيا في بيركلي الذي قاد أحد الفرق التي اكتشفت في الأصل الطاقة المظلمة. كان بيرلماتر أيضًا مؤلفًا مشاركًا في كلتا الدراستين.
تم استخدام المستعرات الأعظمية في عام 1998 لاكتشاف مذهل أن تمدد الكون يتسارع ، بدلاً من أن يتباطأ كما كان متوقعًا. هذا التسارع – المنسوب إلى الطاقة المظلمة التي تشكل ثلثي كل الطاقة في الكون – تم تأكيده منذ ذلك الحين من خلال مجموعة متنوعة من التقنيات المستقلة بالإضافة إلى دراسات أكثر تفصيلاً عن المستعرات الأعظمية.
اعتمد اكتشاف الطاقة المظلمة على استخدام فئة معينة من المستعرات الأعظمية ، النوع الأول. تنفجر هذه المستعرات الأعظمية دائمًا بنفس السطوع الأقصى الجوهري تقريبًا. نظرًا لاستخدام الحد الأقصى من السطوع المرصود للمستعر الأعظم لاستنتاج المسافة ، فإن الاختلافات الصغيرة المتبقية في السطوع الأقصى الجوهري حدت من الدقة التي يمكن بها اختبار الطاقة المظلمة. على الرغم من 20 عامًا من التحسينات من قبل العديد من المجموعات ، إلا أن دراسات المستعرات الأعظمية للطاقة المظلمة ظلت حتى الآن محدودة بهذه الاختلافات.
يوضح الشكل الأيسر العلوي الأطياف – السطوع مقابل الطول الموجي – لاثنين من المستعرات الأعظمية. واحد قريب والآخر بعيد جدا. لقياس الطاقة المظلمة ، يحتاج العلماء إلى قياس المسافة بينهما بدقة شديدة ، ولكن كيف يعرفون ما إذا كانوا متشابهين؟ يقارن الرقم الأيمن السفلي الأطياف – ويظهر أنهما بالفعل “توأمان”. هذا يعني أنه يمكن قياس مسافاتهم النسبية بدقة تبلغ 3 بالمائة. النقطة المضيئة في منتصف الجزء العلوي هي صورة تلسكوب هابل الفضائي للمستعر الأعظم 1994D (SN1994D) في المجرة NGC 4526. Credit: Graphic: Zosia Rostomian / Berkeley Lab؛ الصورة: ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية
مضاعفة عدد المستعرات الأعظمية أربع مرات
جاءت النتائج الجديدة التي أعلن عنها SNfactory من دراسة متعددة السنوات مكرسة بالكامل لزيادة دقة القياسات الكونية التي يتم إجراؤها باستخدام المستعرات الأعظمية. يتطلب قياس الطاقة المظلمة مقارنات بين السطوع الأقصى للمستعرات الأعظمية البعيدة التي تبعد مليارات السنين الضوئية عن المستعرات الأعظمية القريبة التي تبعد 300 مليون سنة ضوئية “فقط”. درس الفريق المئات من المستعرات الأعظمية القريبة بتفاصيل رائعة. تم قياس كل مستعر أعظم عددًا من المرات ، على فترات من بضعة أيام. فحص كل قياس طيف المستعر الأعظم ، مسجلاً شدته عبر نطاق الطول الموجي للضوء المرئي. تم استخدام أداة مصممة خصيصًا لهذا التحقيق ، مطياف المجال المتكامل سوبر نوفا ، الذي تم تركيبه في تلسكوب جامعة هاواي البالغ ارتفاعه 2.2 مترًا في Maunakea ، لقياس الأطياف.
“لطالما كانت لدينا فكرة أنه إذا كانت فيزياء انفجار اثنين من المستعرات الأعظمية هي نفسها ، فإن سطوعها الأقصى سيكون هو نفسه. باستخدام أطياف مصنع سوبر نوفا القريب كنوع من المسح المقطعي المحوسب خلال انفجار المستعر الأعظم ، يمكننا اختبار هذه الفكرة “، قال بيرلماتر.
في الواقع ، قبل عدة سنوات ، قامت الفيزيائية حنا فاخوري ، التي كانت آنذاك طالبة دراسات عليا تعمل مع بيرلماتر ، باكتشاف مفتاح لنتائج اليوم. بالنظر إلى العديد من الأطياف التي التقطتها SNfactory ، وجدت أنه في عدد كبير من الحالات ، بدت أطياف مستعر أعظم مختلفين متطابقة جدًا تقريبًا. من بين المستعرات الأعظمية الخمسين أو نحو ذلك ، كان بعضها توائمًا متطابقًا تقريبًا. عندما تم تركيب الأطياف المتذبذبة لزوج من التوائم ، كان هناك مسار واحد فقط للعين. يعتمد التحليل الحالي على هذه الملاحظة لنمذجة سلوك المستعرات الأعظمية في الفترة القريبة من وقت سطوعها الأقصى.
يضاعف العمل الجديد تقريبًا أربعة أضعاف عدد المستعرات الأعظمية المستخدمة في التحليل. جعل هذا العينة كبيرة بما يكفي لتطبيق تقنيات التعلم الآلي لتحديد هذين التوائم ، مما أدى إلى اكتشاف أن أطياف المستعر الأعظم من النوع Ia تختلف بثلاث طرق فقط. تعتمد السطوع الجوهري للمستعرات الأعظمية أيضًا بشكل أساسي على هذه الاختلافات الثلاثة الملحوظة ، مما يجعل من الممكن قياس مسافات المستعرات الأعظمية بدقة ملحوظة تبلغ حوالي 3٪.
وبنفس القدر من الأهمية ، فإن هذه الطريقة الجديدة لا تعاني من التحيزات التي أحاطت بالطرق السابقة ، والتي تُرى عند مقارنة المستعرات الأعظمية الموجودة في أنواع مختلفة من المجرات. نظرًا لأن المجرات القريبة مختلفة نوعًا ما عن المجرات البعيدة ، كان هناك قلق خطير من أن مثل هذا الاعتماد قد ينتج قراءات خاطئة في قياس الطاقة المظلمة. يمكن الآن تقليل هذا القلق بشكل كبير عن طريق قياس المستعرات الأعظمية البعيدة باستخدام هذه التقنية الجديدة.
في وصف هذا العمل ، أشار بون إلى أن “القياس التقليدي لمسافات المستعر الأعظم يستخدم منحنيات الضوء – الصور الملتقطة بعدة ألوان بينما يضيء المستعر الأعظم ويتلاشى. بدلاً من ذلك ، استخدمنا طيفًا من كل مستعر أعظم. هذه أكثر تفصيلاً بكثير ، وباستخدام تقنيات التعلم الآلي أصبح من الممكن بعد ذلك تمييز السلوك المعقد الذي كان مفتاحًا لقياس مسافات أكثر دقة “.
ستفيد نتائج أوراق بون في تجربتين رئيسيتين قادمتين. ستكون التجربة الأولى في مرصد روبن الذي يبلغ طوله 8.4 مترًا ، قيد الإنشاء في تشيلي ، مع مسح تراث الفضاء والزمان ، وهو مشروع مشترك بين وزارة الطاقة والمؤسسة الوطنية للعلوم. والثاني هو ناساتلسكوب نانسي جريس الروماني القادم. ستقيس هذه التلسكوبات آلاف المستعرات الأعظمية لتحسين قياس الطاقة المظلمة. سيكونون قادرين على مقارنة نتائجهم بالقياسات التي تم إجراؤها باستخدام التقنيات التكميلية.
لاحظ ألدرينج ، وهو أيضًا مؤلف مشارك في الأوراق البحثية ، أن “تقنية قياس المسافة هذه ليست أكثر دقة فحسب ، بل إنها تتطلب طيفًا واحدًا فقط ، يتم التقاطه عندما يكون المستعر الأعظم أكثر سطوعًا وبالتالي أسهل ملاحظته – تغيير قواعد اللعبة! يعد وجود مجموعة متنوعة من التقنيات أمرًا ذا قيمة خاصة في هذا المجال حيث تبين أن الأفكار المسبقة خاطئة والحاجة إلى التحقق المستقل عالية.
يشمل تعاون SNfactory معمل بيركلي ، ومختبر الفيزياء النووية والطاقة العالية في جامعة السوربون ، ومركز الأبحاث الفلكية في ليون ، ومعهد فيزياء اللانهائي 2 في جامعة كلود برنارد ، جامعة ييلوجامعة هومبولت الألمانية ، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء الفلكية ، وجامعة تسينغهوا الصينية ، ومركز فيزياء الجسيمات في مرسيليا ، وجامعة كليرمونت أوفيرني.
تم دعم هذا العمل من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ، وقسم الفيزياء الفلكية بوكالة ناسا ، ومؤسسة جوردون وبيتي مور ، والمعهد الوطني الفرنسي للفيزياء النووية والجسيمات ، والمعهد الوطني لعلوم الأرض والفلك التابع للمركز الوطني الفرنسي للبحوث العلمية. ومؤسسة الأبحاث الألمانية ومركز الفضاء الألماني ومجلس البحوث الأوروبي وجامعة تسينغهوا والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين.
مثال على مستعر أعظم: اكتشف مصنع Palomar Transient Factory SN 2011fe في مجرة Pinwheel بالقرب من Big Dipper في 24 أغسطس 2011. Credit: BJ Fulton، Las Cumbres Observatory Global Telescope Network
خلفية إضافية
في عام 1998 ، أعلنت مجموعتان متنافستان تدرسان المستعرات الأعظمية ، وهما مشروع علم الكونيات المستعر الأعظم وفريق البحث عن سوبر نوفا ، أنهما وجدتا دليلًا على أنه ، على عكس التوقعات ، لم يكن توسع الكون يتباطأ بل أصبح أسرع وأسرع. الطاقة المظلمة هي المصطلح المستخدم لوصف سبب التسارع. مُنحت جائزة نوبل لعام 2011 لقادة الفريقين: Saul Perlmutter من Berkeley Lab و UC Berkeley ، قائد مشروع Supernova Cosmology ، وإلى Brian Schmidt من الجامعة الوطنية الاسترالية وآدم ريس من جامعة جونز هوبكنز من فريق High-z.
تشمل التقنيات الإضافية لقياس الطاقة المظلمة أداة التحليل الطيفي للطاقة المظلمة المدعومة من وزارة الطاقة ، بقيادة مختبر بيركلي ، والتي ستستخدم التحليل الطيفي على 30 مليون مجرة في تقنية تسمى تذبذب الباريون الصوتي. سيستخدم مرصد روبن أيضًا آخر يسمى عدسات الجاذبية الضعيفة.
مراجع:
“التضمين التوائم من النوع الأول المستعرات الأعظمية. I. تنوع الأطياف عند الحد الأقصى من الضوء “بقلم K. Boone و G. Aldering و P. Antilogus و C.Aragon و S. Bailey و C. Baltay و S. Bongard و C. Buton و Y. Copin و S. Dixon ، D. Fouchez ، E. Gangler ، R. Gupta ، B. Hayden ، W. Hillebrandt ، AG Kim ، M. Kowalski ، D. Küsters ، P.-F. Léget، F. Mondon، J. Nordin، R. Pain، E. Pecontal، R. Pereira، S. Perlmutter، KA Ponder، D. Rabinowitz، M. Rigault، D. Rubin، K. Runge، C. Saunders، G .Smadja، N. Suzuki، C. Tao، S. Taubenberger، RC Thomas and M. Vincenzi، 6 May 2021، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3c
“التضمين التوائم من النوع الأول المستعرات الأعظمية. ثانيًا. تحسين تقديرات المسافة الكونية “بقلم ك.بون ، ج.ألدرينج ، ب.أنتيلوجوس ، سي أراجون ، إس بيلي ، سي بالتاي ، إس بونجارد ، سي بوتون ، واي.كوبين ، إس ديكسون ، دي.فوشيز ، E. Gangler ، R. Gupta ، B. Hayden ، W. Hillebrandt ، AG Kim ، M. Kowalski ، D. Küsters ، P.-F. Léget، F. Mondon، J. Nordin، R. Pain، E. Pecontal، R. Pereira، S. Perlmutter، KA Ponder، D. Rabinowitz، M. Rigault، D. Rubin، K. Runge، C. Saunders، G .Smadja، N. Suzuki، C. Tao، S. Taubenberger، RC Thomas and M. Vincenzi، 6 May 2021، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3b
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”
