Supernove su nam otkrile da se svemir ubrzano širi. Sada dolazi najveći test te metode

Supernove tipa Ia bile su jedan od ključnih dokaza da se svemir ne širi samo, nego da se njegovo širenje ubrzava. Uskoro će ta metoda ući u novu, mnogo zahtjevniju eru: Opservatorij Vera C. Rubin otkrivat će golemi broj takvih eksplozija, ali za većinu njih astronomi neće imati detaljna spektroskopska mjerenja.

Nova studija objavljena u časopisu Nature Astronomy predstavlja okvir CIGaRS, razvijen kako bi se iz samih snimaka izvuklo znatno više podataka o supernovama, njihovim galaksijama i širenju svemira. Ako se pristup pokaže dovoljno pouzdanim na velikim skupovima podataka, mogao bi poboljšati mjerenja tamne energije i pomoći astronomima da iskoriste podatkovnu lavinu koju donosi sljedeća generacija pregleda neba.

Problem nije broj supernova, nego način na koji ćemo ih izmjeriti

Supernove tipa Ia nastaju u eksplozijama bijelih patuljaka i imaju posebno mjesto u modernoj kozmologiji. Budući da im je stvarna svjetlina dovoljno pravilna, astronomi ih koriste kao takozvane standardne svijeće. Usporedbom stvarne i prividne svjetline mogu izračunati koliko su udaljene.

Upravo su takva mjerenja dovela do otkrića da se širenje svemira ubrzava, što se danas povezuje s tamnom energijom. No u toj se jednostavnoj slici krije ozbiljan problem. Supernove tipa Ia nisu savršeno jednake.

Tijekom posljednjih dvadesetak godina postalo je jasno da njihova svjetlina ovisi i o okolini u kojoj se eksplozija događa. Supernove u masivnijim i starijim galaksijama mogu se razlikovati od onih u manjim ili mlađim galaksijama. Te razlike nisu velike, ali su dovoljne da postanu važne kada se svemir pokušava mjeriti s vrlo visokom preciznošću.

Dosad su se takvi učinci najčešće ispravljali jednostavnim korekcijama. To je bilo dovoljno za mnoge analize, ali možda neće biti dovoljno za eru u kojoj će astronomi raditi s milijunima kandidata za supernove.

Rubin će pronaći ono što spektroskopija neće moći pratiti

Opservatorij Vera C. Rubin u Čileu uskoro će započeti desetogodišnji pregled neba. Njegova snaga neće biti samo u dubini snimanja, nego i u ponavljanju. Isti dijelovi neba bit će snimani iznova, što će omogućiti otkrivanje promjenjivih i prolaznih objekata, uključujući velik broj supernova.

No tu nastaje usko grlo. Spektroskopija, metoda kojom se svjetlost objekta rastavlja na valne duljine i iz nje izvlače precizni podaci, zahtijeva mnogo teleskopskog vremena. Nije realno da se svaki kandidat za supernovu detaljno spektroskopski obradi.

Prema očekivanjima, približno 99 posto supernova koje će zabilježiti Opservatorij Vera C. Rubin bit će opaženo samo fotometrijski, odnosno kroz snimke u različitim bojama. Drugim riječima, astronomi će imati golem broj slika, ali za većinu objekata neće imati spektre.

Zbog toga je ključno pitanje jednostavno: može li se iz tih slika izvući dovoljno precizna kozmologija?

CIGaRS spaja supernovu, galaksiju i širenje svemira u isti model

Novi okvir CIGaRS razvijen je upravo za taj problem. Tim koji predvode istraživači s Instituta za kozmološke znanosti Sveučilišta u Barceloni ne promatra supernovu kao izolirani događaj, nego kao dio šireg fizičkog sustava.

Model istodobno uključuje samu eksploziju, galaksiju u kojoj se dogodila, prašinu koja prigušuje i mijenja boju svjetlosti, učestalost supernova kroz kozmičko vrijeme i parametre koji opisuju širenje svemira. Umjesto da se svaki od tih elemenata obrađuje odvojeno, CIGaRS ih povezuje u jedinstven statistički okvir.

To je važna promjena. Ako se želi precizno mjeriti tamna energija, nije dovoljno znati samo koliko je neka supernova sjajna. Treba razumjeti i što njezina galaksija govori o njoj, koliko je prašine utjecalo na svjetlost i kakve pristranosti nastaju pri odabiru objekata koji ulaze u analizu.

Suautor studije Raúl Jiménez s ICREA-e i Instituta za kozmološke znanosti Sveučilišta u Barceloni opisuje pristup kao računalno modeliranje svemira od početnih pretpostavki, uz Bayesovu statistiku. Prednost takvog pristupa je u tome što se mnogi parametri mogu mijenjati istodobno, a model zatim testira koji skup vrijednosti najbolje odgovara opažanjima.

Posebno je važna mogućnost ispitivanja skrivenih sustavnih pogrešaka. One su jedan od najvećih problema u preciznoj kozmologiji jer se ne vide uvijek izravno, ali mogu utjecati na zaključke o širenju svemira.

Umjetna inteligencija ne traži prečac, nego obrađuje ono što bi bilo presporo

CIGaRS koristi metode poznate kao zaključivanje na temelju simulacija. U praksi to znači da znanstvenici najprije stvaraju mnoge računalne verzije mogućih svemira. U njima mijenjaju fizičke i astrofizičke parametre, zatim prate kakve bi podatke takvi svemiri proizveli.

Nakon toga neuronska mreža uči vezu između simuliranih opservacija i parametara koji su ih stvorili. Kada se sustav istrenira, može se primijeniti na stvarne podatke i procijeniti koje vrijednosti najbolje opisuju opaženi svemir.

U ovoj priči umjetna inteligencija nije zamjena za fiziku. Ona je alat koji omogućuje da se složen model primijeni na broj objekata koji bi tradicionalnim metodama bio gotovo nemoguć za obradu.

Jedan od ključnih rezultata studije jest da se crveni pomaci galaksija mogu vrlo precizno procijeniti iz samih snimaka. Crveni pomak pokazuje koliko se svjetlost rastegnula zbog širenja svemira, pa je ključan za određivanje udaljenosti i vremena iz kojeg nam svjetlost dolazi.

Autori navode da se novim pristupom može postići preciznost usporediva sa spektroskopskim mjerenjima, ali bez potrebe za spektrom za svaki objekt. To je upravo ono što će astronomiji trebati kada Rubin počne stvarati goleme fotometrijske skupove podataka.

Tamna energija i podrijetlo supernova u istom skupu podataka

Metoda nije važna samo za mjerenje širenja svemira. Budući da povezuje supernove s galaksijama u kojima nastaju, CIGaRS može pomoći i u razumijevanju samih eksplozija.

Supernove tipa Ia koriste se kao standardne svijeće, ali njihovo točno podrijetlo još nije do kraja razjašnjeno. Model koji prati vezu između učestalosti supernova i dobi zvjezdanih populacija u galaksijama može pomoći astronomima da bolje shvate u kakvim sustavima te eksplozije nastaju i koliko brzo nakon nastanka zvijezda dolazi do njih.

Glavni autor studije Konstantin Karchev, s Instituta za kozmološke znanosti Sveučilišta u Barceloni i SISSA-e u Trstu, ističe da je prednost novog pristupa u tome što ne zahtijeva pojednostavljenja koja često ulaze u analitičke modele. Umjesto toga, cijeli postupak povezuje simulacije, astrofiziku i kozmološke parametre od početka do kraja.

Prema autorima, takav bi pristup mogao poboljšati kozmološka ograničenja i do četiri puta u odnosu na tradicionalne analize koje se oslanjaju samo na manji skup spektroskopski opaženih supernova.

To ne znači da spektroskopija gubi važnost. Ona ostaje zlatni standard za detaljna mjerenja. No u eri Opservatorija Vera C. Rubin najveća vrijednost neće biti samo u pojedinačnim savršeno izmjerenim objektima, nego u sposobnosti da se iz milijuna snimljenih eksplozija izvuče pouzdana slika svemira.

Upravo zato je ova metoda važna. Supernove su već jednom promijenile kozmologiju. Sada astronomi pokušavaju osigurati da ih nova generacija teleskopa ne samo pronađe, nego i pravilno pročita.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.