Οι Δίδυμοι Υπερκαινοφανείς βελτιώνουν περισσότερο από ποτέ τα «πρότυπα κηρία»

Δεν πέρασαν 20 χρόνια από τότε που ο κόσμος έμαθε ότι το σύμπαν διευρύνεται όλο και πιο γρήγορα, προωθούμενο από τη σκοτεινή ενέργεια. Η ανακάλυψη έγινε δυνατή από τους υπερκαινοφανείς Τύπου Ια, εξαιρετικά φωτεινούς και αξιοσημείωτα όμοιους σε λαμπρότητα, που χρησιμοποιήθηκαν ως «πρότυπα κηρία» για τη διερεύνηση της ιστορίας του σύμπαντος.

Στην πραγματικότητα, οι υπερκαινοφανείς Τύπου Ια απέχουν πολύ από το να είναι πρότυπα. Η ενδιάμεση σκόνη μπορεί να τους κοκκινίζει και να τους αδυνατίζει και η φυσική των θερμοπυρηνικών τους εκρήξεων διαφέρει – ένας μονός λευκός νάνος (ένα άστρο στο μέγεθος της Γης, με μάζας όσο ο ήλιος μας) μπορεί να εκραγεί μετά το δανεισμό μάζας από ένα συνοδό άστρο ή δύο λευκοί νάνοι σε τροχιά ο ένας γύρω από τον άλλο, μπορεί να συγκρουστούν και να εκραγούν. Αυτά τα «πρότυπα» Τύπου Iα μπορεί να διαφέρουν σε λαμπρότητα μέχρι 40%. Η διασπορά της λαμπρότητας μπορεί να μειωθεί με καλά αποδεδειγμένες μεθόδους, αλλά η κοσμολογία συνεχίζει να γίνεται με τους καταλόγους των υπερκαινοφανών που μπορεί να διαφέρουν σε λαμπρότητα μέχρι 15%.

Τώρα τα μέλη του διεθνούς πειράματος Nearby Supernova Factory (SNfactory), που εδρεύει στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, έχουν μειώσει δραματικά την διασπορά στις λαμπρότητες υπερκαινοφανή. Χρησιμοποιώντας ένα δείγμα σχεδόν 50 κοντινών υπερκαινοφανών, προσδιόρισαν δίδυμους υπερκαινοφανείς, ζευγάρια των οποίων τα φάσματα είναι σχεδόν ίδια, τα οποία μείωσαν τη διασπορά λαμπρότητάς τους σε ένα απλό 8%. Η απόσταση αυτών των υπερκαινοφανών μπορεί να μετρηθεί περίπου δύο φορές ακριβέστερα από πριν.

Τα αποτελέσματα του SNfactory αναφέρονται στην εργασία «Improving cosmological distance measurements using twin Type Ia supernovae» που έγινε δεκτή για δημοσίευση από το Astrophysical Journal (APJ).

«Αντί να επικεντρωθούμε στο τί προκαλεί τις διαφορές μεταξύ των υπερκαινοφανών, η προσέγγιση με τους δίδυμους υπερκαινοφανείς είναι να κοιτάξουμε τα φάσματα και να αναζητήσουμε τις καλύτερες αντιστοιχίσεις, έτσι ώστε να συγκρίνουμε ομοειδή», λέει ο Greg Aldering, κοσμολόγος του Berkeley Lab, που ηγείται του SNfactory . «Η υπόθεση που ελέγξαμε είναι ότι αν δύο υπερκαινοφανείς φαίνονται ίδιοι, πιθανότατα είναι ίδιοι».

Η Hannah Fakhouri, επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας στο APJ, ξεκίνησε τη μελέτη διδύμων για τη διδακτορική της διατριβή. Λέει ότι τα θεωρητικά πλεονεκτήματα μιας αντιστοίχισης των διδύμων είχαν από καιρό συζητηθεί στο Berkeley Lab. Για τους ερευνητές που ίδρυσαν το SNfactory, συμπεριλαμβανομένου και του συμβούλου της διατριβής της, του βραβευμένου με Νόμπελ, Saul Perlmutter, ένας από τους κύριους στόχους ήταν η συγκέντρωση ενός συνόλου δεδομένων ικανοποιητικής ποιότητας για να ελέγξουν υποθέσεις όπως των δίδυμων υπερκαινοφανών.

Ο συγχρονισμός της Fakhouri ήταν καλός. Μπόρεσε να επωφεληθεί από τις ακριβείς φασματοφωτομετρίες-ταυτόχρονες μετρήσεις φασμάτων και λαμπρότητας-πολλών κοντινών Τύπου Iα, που συλλέχθηκαν με τη χρήση του Φασματογράφο Πλήρους Πεδίου Υπερκαινοφανών (SNIFS)του SNfactory, στο 2,2 μέτρων τηλεσκόπιο του Πανεπιστημίου της Χαβάης, στο (ηφαίστειο) Mauna Kea.

Ο όρος «κοντινή απόσταση» είναι σχετικός. Ορισμένοι υπερκαινοφανείς του SNfactory είναι περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά. Αλλά όλοι αποδίδουν πιο εκτενείς και λεπτομερείς μετρήσεις από ότι οι πραγματικά μακρινοί υπερκαινοφανείς, επίσης αναγκαίοι για την κοσμολογία. Η μελέτη των διδύμων χρησιμοποίησε δεδομένα από τα πρώτα χρόνια των παρατηρήσεων του SNfactory, η περαιτέρω εργασία θα χρησιμοποιήσει εκατοντάδες φάσματα, Τύπου Iα, υψηλής ποιότητας, από το SNfactory, μέχρι στιγμής τη μόνη μεγάλη βάση δεδομένων στον κόσμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εργασία αυτή.

Μέλη τως συντελεστών της εργασίας: Από αριστερά Greg Aldering, Kyle Boone, Hannah Fakhouri και Saul Perlmutter του Nearby Supernova Factory

Παρά τα εκπληκτικά αποτελέσματα, η Fakhouri περιγράφει την αρχική έρευνα ως «μια μεγάλη αγγαρεία», που απαιτεί σκληρή δουλειά και προσοχή στη λεπτομέρεια. Μία πρόκληση ήταν το να γίνουν σωστές συγκρίσεις των χρονοσειρών, στις οποίες λαμβάνονται φάσματα σε συχνά διαστήματα καθώς ο υπερκαινοφανής φτάσει τη μέγιστη φωτεινότητα και μετά σιγά-σιγά εξασθενεί. Διαφορετικά χρώματα (μήκη κύματος) λάμπουν και εξασθενούν με διαφορετικούς ρυθμούς.

Η δειγματοληψία για τις χρονοσειρές των διαφορετικών υπερκαινοφανών, δεν μπορούσε να γίνει ομοιόμορφα, λόγω των αιτήσεων του χρόνου χρήσης του τηλεσκοπίου και για άλλα θέματα, όπως ο καιρός. Το μέλος του SNfactory Rollin Thomas, του Κέντρου Υπολογιστικής Κοσμολογίας του Berkeley Lab, πρότεινε μια μαθηματική διαδικασία που ονομάζεται Γκαουσιανή διαδικασία παλινδρόμησης, για την πλήρωση των κενών. Η Fakhouri λέει το αποτέλεσμα «ήταν μια μεγάλη επαναστατική ανακάλυψη».

Ο καθαρισμός των φασμάτων και η ταξινόμηση των υπερκαινοφανών για τον δίδυμό τους γινόταν εντελώς στα «τυφλά» – οι ερευνητές δεν είχαν άλλες πληροφορίες σχετικά με τους υπερκαινοφανείς, εκτός από τα φάσματα τους. «Η διαδικασία «αποτύφλωσης» ήταν αγχωτική», λέει η Fakhouri. «Ίσως να βρίσκαμε ότι η αναζήτηση του δίδυμου ήταν εντελώς άχρηστη». Το αποτέλεσμα ήταν ανακουφιστικό: όσο πιο κοντά ήταν τα φάσματα των διδύμων, τόσο πιο κοντά ήταν οι λαμπρότητές τους.

Το αποτέλεσμα υποδηλώνει σαφώς ότι η από καιρού αποδεκτή 15% αβεβαιότητα στη λαμπρότητα του Τύπου Iα δεν είναι απλώς στατιστική, καλύπτει πραγματικές αλλά άγνωστες διαφορές στη φύση των ίδιων των υπερκαινοφανών. Η δραματική μείωση της διασποράς της λαμπρότητας της μεθόδου των διδύμων, υποδηλώνει ότι οι κρυμμένοι άγνωστοι σχετικά με τις φυσικές διαδικασίες έκρηξης των διδύμων έχουν μειωθεί επίσης σημαντικά, ένα ισχυρό βήμα προς την κατεύθυνση της χρήσης τέτοιων υπερκαινοφανών ως αληθινά πρότυπα κηρία.
Όταν η Fakhouri πήρε το διδακτορικό της, ο μεταπτυχιακός φοιτητής Kyle Boone, δεύτερος συγγραφέας της εργασίας στο APJ, ανέλαβε τα τελικά στάδια της ανάλυσης. «Ξεκίνησα τη συγκρίνοντας τη μέθοδο των διδύμων με άλλες μεθόδους για τη μείωση της διασποράς στη λαμπρότητα».

Η συμβατική προσέγγιση ήταν να ταιριάξει μια καμπύλη μέσω μιας σειράς δεδομένων σημείων λαμπρότητας ως συνάρτηση του χρόνου: μια φωτοκαμπύλη. Οι ασθενέστεροι υπερκαινοφανείς Τύπου Iα, έχουν στενότερες φωτοκαμπύλες και είναι πιο ερυθροί. Αυτό το γεγονός χρησιμοποιείται για να «τυποποιήσει» τους υπερκαινοφανείς, δηλαδή να προσαρμόσει τις λαμπρότητές τους σε ένα κοινό σύστημα.

Η μέθοδος διδύμων, λέει ο Boone, «κερδίζει τη μέθοδο φωτοκαμπύλης χωρίς καν να το προσπαθεί. Πλέον, βρήκαμε ότι αυτό μπορεί να γίνει μόνο με ένα φάσμα- δεν απαιτείται ολόκληρη φωτοκαμπύλη».

Άλλες πρόσφατες μέθοδοι είναι πιο διακριτικές και λεπτομερείς, αλλά όλες έχουν μειονεκτήματα σε σύγκριση με αυτή των διδύμων. «Η κύρια ανταγωνιστική τεχνική δίνει εξαιρετικά αποτελέσματα, αλλά εξαρτάται από τα μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο, όπου η διασπορά της αρχικής λαμπρότητας είναι πολύ λιγότερη», λέει ο Boone. «Αυτό θα είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθεί σε μακρινούς υπερκαινοφανείς, των οποίων η υψηλή μετατόπιση στο ερυθρό καθιστά τα κοντά στο υπέρυθρο μήκη κύματος απρόσιτα».

«Εργαζόμαστε για να δούμε πόσο καλά η τεχνολογία των διδύμων μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα πολύ μεγάλο δείγμα καλά χαρακτηρισμένων, υπερκαινοφανών υψηλής μετατόπισης στο ερυθρό, που θα μπορούσε να παρέχει ένα διαστημικό τηλεσκόπιο, όπως το WFIRST. «Η NASA σχεδιάζει να εκτοξεύσει το WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope), στα μέσα της δεκαετίας του 2020. Μεταξύ άλλων ερευνών, θα συλλάβει τα φάσματα πολλών χιλιάδων απομακρυσμένων υπερκαινοφανών Τύπου Iα», λέει ο Boone.

Όταν βασίζεται σε ένα δείγμα αναφοράς καλά μετρημένων υπερκαινοφανών, αρκετά μεγάλο για να βρει κάθε νέος υπερκαινοφανής το τέλειο δίδυμό του, η τεχνολογία των δίδυμων υπερκαινοφανών θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακριβείς μετρήσεις της επίδρασης της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν κατά τα τελευταία 10 δισεκατομμύρια χρόνια. Κάθε σημείο στο χώρο και το χρόνο, έτσι επισημασμένο θα είναι ένα ακριβές ορόσημο για το ταξίδι που οδήγησε στο σύμπαν που ζούμε σήμερα.

Πηγή: Berkeley Lab

Περισσότερα στην εργασία: Improving cosmological distance measurements using twin Type Ia supernovae, arXiv:1511.01102