Размножен от гравитацията образ на свръхнова се вижда и сега, ще се види и след 60 години

Две невероятно редки свръхнови, изригнали преди милиарди години, предоставят уникална възможност да се обясни най-голямата мистерия на космологията - колко бързо се разширява Вселената?

Но въпреки че астрономите вече са наблюдавали тези експлодиращи звезди, ще трябва да почакат още 60 години, за да достигне Земята светлината им отново.

Феноменът, наречен гравитационна леща, е разделил светлината от тези експлоадирали звезди на множество изображения, всяко от които изминава различен път през пространство-времето, за да достигне до нас. В резултат на това, изследователите един ден ще могат да измерят забавянето между тези призрачни изображения, за да предложат безпрецедентно определяне на скоростта на разширяване на Вселената - проблем, който отдавна измъчва учените, тъй като Вселената изглежда се разширява с различна скорост в зависимост от това къде гледат.

Откритието на двете свръхнови, наречени SN Ares и SN Athena, наблюдавани през гравитационна леща, са представени на пресконференция на 247-ата среща на Американското астрономическо дружество във Финикс от Конор Ларисън (Conor Larison), постдокторант в Научния институт за космически телескопи.

Космическите лупи разкриват невидимото

Тези наблюдения на свръхнови са сред първите резултати от програмата Vast Exploration for Nascent, Unexplored Sources (VENUS). Изследването VENUS използва космическия телескоп "Джеймс Уеб" (JWST), за да проследи 60 плътни галактически купове, които действат като космически лещи, разделящи и фокусиращи светлината от изключително далечни, иначе невидими източници като свръхнови.

Изображение, наблюдавано от космическия телескоп Джеймс Уеб. Масивният галактичен клъстер MJ0308 на преден план създава ефект на гравитационна леща, който причинява появата на множество изображения на свръхновата SN Ares. Астрономите могат да предскажат кога и къде техните изображения ще се появят отново в бъдеще. Кредит: NASA/ESA/CSA/обработка: Gavin Farley

Това космическо явление, наречено гравитационно линдзиране (ефект на огъване на светлината от гравитационна леща), е пряко следствие от ефекта на гравитацията върху тъканта на пространство-времето и е предложено за първи път от Алберт Айнщайн в неговата теория на относителността. То се случва, когато масивен небесен обект, като например галактически куп, пречупва светлината от по-далечен източник, който се намира зад него, като по този начин увеличава обекта.

"Силното гравитационно линдзиране трансформира галактическите клъстери в най-мощните телескопи в природата", заявява Сейджи Фуджимото (Seiji Fujimoto), главен изследовател на програмата VENUS и астрофизик в Университета в Торонто. "VENUS е проектирана да открива максимално най-редките събития в далечната Вселена и тези свръхнови са точно такъв вид явления, които само този подход може да разкрие."

SN Ares е първата свръхнова, открита чрез програмата VENUS. Експлозията е станала преди почти 10 милиарда години, когато Вселената е била на около една трета от сегашната си възраст. Изкривяването на пространство-времето, причинено от галактически клъстер на преден план, MJ0308, разделя светлината от SN Ares на три изображения.

Едно изображение вече е достигнало до нашите телескопи. Но светлината от другите две изображения преминава много по-близо до масивния център на MJ0308, така че претърпява много по-голямо забавяне поради гравитационното забавяне на времето. Следователно, другите две изображения на SN Ares ще пристигнат след приблизително 60 години - едно безпрецедентно забавяне.

"Толкова голямо забавяне между изображенията на силно линдзирана свръхнова никога не е било виждано преди и би могло да бъде шанс за предсказващ експеримент, който би могъл да постави невероятно точни ограничения върху космологичната еволюция", посочва Ларисън в изявлението си.

Междувременно се очаква през следващите една до две години да пристигне забавено изображение на свръхновата SN Athena ("Атина"), която избухва като свръхнова, когато Вселената е била на около половината от сегашната си възраст. Въпреки че няма да бъде толкова космологично прецизна, колкото митологичния ѝ полубрат Арес, Атина ще разкрие колко точна е станаля способността на астрономите за прогноза.

Комбинирани данни от космическите телескопи "Хъбъл" и "Джеймс Уеб" улавят огънатата светлина от гравитационните лещи на свръхновите SN Ares и SN Athena. Изследователите могат да предскажат кога и къде техните изображения ще се появят отново в бъдеще. Кредит: NASA/ESA/CSA/обработка: Gavin Farley

Крайно необходим природен експеримент

Предсказаната повторна поява на тези свръхнови, в сравнение с действителните им времена на пристигане в бъдеще, ще предостави точни ограничения върху скоростта на разширяване на Вселената, стойност, известна като константата на Хъбъл.

Любопитно е, че когато космолозите измерват константата на Хъбъл, те получават различни стойности въз основа на метода на измерване – несъответствие, известно като напрежение на Хъбъл. Изчисленията, базирани на космическия микровълнов фон – най-старата светлина във Вселената, излъчвана, когато Космосът е бил само на 380 000 години – дават универсална скорост на разширение от 67 километра в секунда на мегапарсек.

И все пак изчисленията, базирани на наблюденията на пулсиращите цефеиди от космическия телескоп Хъбъл, използвани като "стандартни свещи" за техните специфични модели на светимост, дават стойност от 73 километра в секунда на мегапарсек.

Стандартни свещи (вляво) и стандартни линийки (вдясно) са две различни техники, използвани от астрономите за измерване на разширяването на пространството в различни времена/разстояния в миналото. Въз основа на това как величини като осветеност или ъглов размер се променят с разстоянието, може да се направи извод за историята на разширяването на Вселената. Използването на метода на свещите е част от стълбата на разстоянията, което дава 73 km/s/Mpc. Използването на линийката е част от метода на ранния сигнал, което дава 67 km/s/Mpc. С новите данни на космическия телескоп "Джеймс Уеб" мистерията около скоростта на разширяване на Вселената се задълбоава още повече. Кредит NASA/JPL-Caltech

В рамките на наблюдаемата сфера на космоса, забавените изображения от SN Ares и SN Athena могат да помогнат за преодоляване на напрежението, свързано с Хъбъл.

Как се мери константата на Хъбъл с гравитационна леща

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн прогнозира, че всяка концентрация на маса, като галактика, може да отклонява светлината подобно на леща. Когато такава галактика е точно пред ярък източник на светлина, светлината се огъва около нея, така че достига Земята по различни пътища. Това дава две, а понякога дори четири изображения на един и същ източник на светлина.

Светлината от далечната звезда, минавайки по различни пътища покрай гравитационната леща, пристига по различно време, което позволява измерването на разстоянието. Кредит: David Harvey/Universiteit van Leiden

През 1964 г. норвежкият астрофизик Сюр Рефсдол (Sjur Refsdal) открива, че ако галактиката, която служи за леща, не е точно центрирана, единият от тези пътища ще е по-дълъг от другия. Това означава също, че на светлината ще й трябва повече време да измине това разстояние. Така че, ако има промяна в яркостта на източника на светлина, например квазар, това излъчване ще бъде видимо по-рано в едно от изображенията, отколкото в друго. Разликата във времето може да бъде дни, седмици и дори месеци.

Рефсдол показва, че разликата във времето може да се използва от астрономите за изчисляване на разстоянията до източника. Когато се комбинира с червеното отместване на източника, това дава трето измерване на константата на Хъбъл, независимо от другите две.

Сравнението между разстоянието и червеното отместване/скорост определя константата на Хъбъл. Кредит: David Harvey/Universiteit van Leiden

"Ако можем да измерим разликата в това кога тези изображения пристигат, ще получим измерване на физическия мащаб на системата от лещи, която обхваща Вселената между свръхновата и нас тук, на Земята", обяснява Ларисън пред Live Science. "Всяко измерване на разстояние, което можем да направим по този начин във Вселената, ни казва как Вселената се е развивала през космическото време, тъй като тези разстояния зависят пряко от тази еволюция."

Също толкова важно е, че линдзираните свръхновите позволяват на астрономите да направят това измерване в "една, самопоследователна стъпка", добавя Ларисън.

Времевите закъснения от тези свръхнови позволяват и независим метод за измерване – несвързан с космическия микровълнов фон или стандартни свещи като цефеидите – във време, когато такова измерване е "крайно необходимо", за да се тестват "възможни неизвестни систематики", управляващи космологичното разширяване.

От Големия взрив до голямата мистерия

По съвпадение, изминаха 60 години от първото официално предложение за използване на линдзирани свръхнови като инструмент за изследване на разширяването на Вселената. Въпреки това, преди наблюденията по програмата VENUS са били открити по-малко от 10 такива свръхнови.

"Откакто VENUS стартира миналия юли, открихме 8 нови свръхнови през гравитационна леща леща в рамките на 43 наблюдения, почти удвоявайки известната извадка за забележително кратък период от време", разказва Ларисън пред Live Science. "Изглежда, че въпреки че линдзираните свръхнови със сигурност са рядкост, истинското ограничение е във възможностите за наблюдение. Всъщност само с JWST постигаме дълбочината и покритието на дължината на вълната, необходими за масовото им откриване, което е точно това, за което VENUS е проектиран."

В резултат на това, линдзираните свръхнови може да са най-вълнуващите перспективи в космологията с дълга база, изучаването на това как Вселената се е променила през своите 13,8 милиарда години съществуване.

Отговорът е неясен; няма гаранция, че разширяването на Вселената ще продължи да се ускорява, особено след като тъмната енергия може би отслабва. Ако е така, тогава настоящото разширяване на Космоса един ден може да се превърне в свиване, което ще има дълбоки последици за крайната съдба на Вселената.

В крайна сметка, SN Ares и SN Athena може да намекнат за потенциалната смърт на вселената и дали тя ще завърши с вик или хленчене - ще се свиее ли космосът в Голям срив или ще се разширява безкрайно в разреждащия се студен мрак на Големия мраз?

Източник: Astronomers spot 'time-warped' supernovas whose light both has and hasn't reached Earth, Ivan Farkas 

Още по темата

16/12/2025

Космос

За първи път е открита свръхярка свръхнова, увеличена от гравитационна леща

15/05/2023

Космос

Скоростта на разширяване на Вселената е измерена със свръхнова през гравитационна леща

17/09/2021

Космос

Видяхме смъртта на свръхновата "Реквием" тройна през 2016 г. и вероятно ще я видим отново през 2037 г. (видео)

25/06/2021

Космос

Свръхнова, видяна три пъти през 2016 г., ще се покаже и през 2037 г.. Възможно ли е това?