Zespół naukowców Webba wykorzystuje soczewkowanie grawitacyjne do poprawy precyzji stałej Hubble’a.
Pomiar stałej Hubble’a, czyli tempa rozszerzania się Wszechświata, jest aktywnym obszarem badań wśród astronomów na całym świecie, którzy analizują dane z obserwatoriów naziemnych i kosmicznych. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba już przyczynił się do tej trwającej dyskusji. Na początku 2024 roku astronomowie wykorzystali dane Webba zawierające zmienne cefeidy https://pl.wikipedia.org/wiki/Cefeida i supernowe typu Ia, wiarygodne markery odległości do pomiaru tempa ekspansji Wszechświata, aby potwierdzić wcześniejsze pomiary Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
Teraz naukowcy wykorzystują niezależną metodę pomiaru, aby jeszcze bardziej poprawić precyzję stałej Hubble’a – soczewkowane grawitacyjnie supernowe. Brenda Frye z University of Arizona i zespół wielu badaczy z różnych instytucji na całym świecie przewodzą tym wysiłkom po odkryciu przez Webba trzech punktów świetlnych w kierunku odległej i gęsto zaludnionej gromady galaktyk. Dr Frey tak opowiada o tym, co zespół nazwał Supernową H0pe i w jaki sposób efekty soczewkowania grawitacyjnego zapewniają wgląd w stałą Hubble’a:
Wszystko zaczęło się od jednego pytania zespołu: czym są te trzy kropki, których wcześniej nie było? Czy to może być supernowa? Punkty światła, niewidoczne w obrazowaniu Hubble’a z 2015 roku tej samej gwiazdy, były oczywiste, gdy obrazy PLCK G165.7+67.0 dotarły na Ziemię z programu Webba Guaranteed Time Observations of the Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science (PEARLS) ‘Clusters’. Zespół zauważa, że pytanie to było pierwszym, które przyszło mu do głowy nie bez powodu: pole G165 zostało wybrane do tego programu ze względu na wysokie tempo formowania się gwiazd wynoszące ponad 300 mas Słońca rocznie, atrybut, który koreluje z wyższymi wskaźnikami supernowych.
Wstępne analizy potwierdziły, że kropki te odpowiadają eksplodującej gwieździe o rzadkich właściwościach. Po pierwsze, jest to supernowa typu Ia, czyli eksplozja białego karła. Ten typ supernowej jest ogólnie nazywany „świecą standardową”, co oznacza, że supernowa miała znaną jasność absolutną. Po drugie, jest ona soczewkowana grawitacyjnie.
Soczewkowanie grawitacyjne jest ważne dla tego eksperymentu. Soczewka, składająca się z gromady galaktyk, która znajduje się między supernową a nami, zakrzywia światło supernowej na wiele obrazów. Na obrazie Webba zostało to zademonstrowane tuż przed naszymi oczami, ponieważ środkowy obraz został odwrócony względem dwóch pozostałych obrazów, co jest efektem „soczewkowania” przewidywanym przez teorię.
Aby uzyskać trzy obrazy, światło poruszało się po trzech różnych ścieżkach. Ponieważ każda ścieżka miała inną długość, a światło porusza się ze stałą prędkością, supernowa została zobrazowana w trzech różnych momentach podczas jej eksplozji.
Potrójne obrazy supernowych są wyjątkowe: opóźnienia czasowe, odległość supernowej i właściwości soczewkowania grawitacyjnego dają wartość stałej Hubble’a (H0). Supernowa została nazwana SN H0pe, ponieważ daje astronomom nadzieję na lepsze zrozumienie zmieniającego się tempa ekspansji Wszechświata.
W celu dalszego zbadania SN H0pe, zespół PEARLS-Clusters napisał propozycję do Webb Director’s Discretionary Time (DDT), która została oceniona przez ekspertów naukowych w ramach podwójnej anonimowej recenzji i zarekomendowana przez Webb Science Policies Group do obserwacji DDT. Równolegle pozyskiwano dane z MMT, 6,5-metrowego teleskopu na Mt. Hopkins oraz Large Binocular Telescope (LBT) na Mt. Graham, oba w Arizonie. Analizując obie obserwacje, nasz zespół był w stanie potwierdzić, że SN H0pe jest zakotwiczona w galaktyce tła, znacznie za gromadą, która istniała 3,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.
SN H0pe jest jedną z najodleglejszych supernowych typu Ia zaobserwowanych do tej pory. Inny członek zespołu dokonał kolejnego pomiaru opóźnienia czasowego, analizując ewolucję jej widma z Webba, potwierdzając naturę SN H0pe na typ Ia.
Siedem podgrup przedstawiło modele soczewek opisujące dwuwymiarowy rozkład materii gromady galaktyk. Ponieważ supernowa typu Ia jest świecą standardową, każdy model soczewki został „oceniony” na podstawie jej zdolności do przewidywania opóźnień czasowych i jasności supernowej w stosunku do rzeczywistych zmierzonych wartości.
Zespół podaje wartość stałej Hubble’a jako 75,4 km/s/Mpc, plus 8,1 lub minus 5,5. Jest to dopiero drugi pomiar stałej Hubble’a tą metodą i pierwszy raz przy użyciu świecy standardowej. Główny naukowiec programu PEARLS zauważył: to jedno z wielkich odkryć Webba, które prowadzi do lepszego zrozumienia tego fundamentalnego parametru naszego Wszechświata.
Wyniki naszego zespołu są imponujące: wartość stałej Hubble’a pasuje do innych pomiarów w lokalnym Wszechświecie i jest nieco sprzeczna z wartościami uzyskanymi dla młodego Wszechświata. Obserwacje Webba w Cyklu 3 poprawią niepewności, umożliwiając bardziej czułe ograniczenia H0.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
NASA
