Благодарение на данните от увеличена, многократно изобразена свръхнова, изследователи успешно използват първа по рода си техника за измерване на скоростта на разширяване на Вселената.

Техните данни дават яснота за един дългогодишен дебат в тази област и могат да помогнат на учените да определят по-точно възрастта на Вселената и да разберат по-добре космоса.

Работата на екипа от Университета на Минесота е разделена на две статии, публикувани съответно в Science и The Astrophysical Journal.

В астрономията съществуват две точни измервания на разширяването на Вселената, определено от "константата на Хъбъл" (H0). Едното се изчислява от близките наблюдения на свръхнови, а второто използва "космическия микровълнов фон" (H0 ~ 73 km/s/ Mpc ), или радиацията, която е започнала да се разпространява свободно във Вселената малко след Големия взрив (H0 ~ 67 km/s/Mpc).

Тези две измервания обаче се различават с около 10%, което предизвика дебат сред физиците и астрономите - дискусия, известна като напрежението на Хъбъл. Ако и двете измервания са точни, това означава, че настоящата теория на учените за устройството на Вселената е непълна.

"Ако нови, независими измервания потвърдят това несъответствие между двете измервания на константата на Хъбъл, това ще се превърне в пукнатина в бронята на нашето разбиране за космоса", заявява Патрик Кели (Patrick Kelly), водещ автор на двете статии и доцент в факултета по физика и астрономия на Университета в Минесота.

"Големият въпрос е дали е възможно да има проблем с едно или с двете измервания. Нашето изследване разглежда този въпрос, като използва независим, напълно различен начин за измерване на скоростта на разширяване на Вселената."

Патрик Кели и неговият екип са измерили стойността на H0 и твърдят, че това е начин, който е независим от предишните измервания.

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

СВРЪХНОВАТА РЕФСДАЛ

Екипът астрономи от Университета на Минесота успява да изчисли скоростта на разширяване на Вселената, използвайки данни от свръхновата Рефсдал (SN Refsdal), кръстена на норвежкия астроном Сюр Рефсдал, който пръв излиза с идеята за „отложени във времето наблюдения на супернови с лещи“.

Откритата от Кели през 2014 г. SN Refsdal е първият в историята пример за многократно гравитационно линзирана свръхнова, което означава, че телескопът е заснел четири различни изображения на едно и също космическо събитие. След откритието екипи от цял свят прогнозираха, че свръхновата ще се появи отново на нова позиция през 2015 г., а екипът на Университета в Минесота открива това допълнително изображение.

Тези многобройни изображения са се появили, защото светлината от свръхновата е била увеличена и разделена от гравитационната леща от галактичния куп MACS J1149.

Използвайки закъсненията във времето между появата на изображенията от 2014 г. и 2015 г., изследователите  успяват да измерят константата на Хъбъл.

Изображение на полето на галактичния клъстер MACS J1149 и местата и времето на поява на SN Refsdal. Първата поява се е случила според прогнозите на модела в изображението на галактиката-домакин в горния ляв ъгъл в края на 90-те години, но е била пропусната. През ноември 2014 г. са заснети изображения S1-S4 в конфигурация Айнщайнов кръст (Kelly et al. 2015). След тази поява моделите на лещите предскават повторна поява на свръхновата, която бе открита в края на 2015 г. (Kelly et al. 2016c). Вмъкнатото в горния десен ъгъл изображение показва съвместно добавено изображение на WFC3 IR F125W на полето след повторната поява на свръхновата в изображение SX. Кредит: The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/ac4ccb

Резултатът от всички наблюдения и изчисления е, че според екипа H0=66,6 km/s/Mpc.

Това е стойност, която съответства на стойността, измерена с помощта на космическото микровълново фоново лъчение и барионните акустични трептения на ранната вселена.

Откритията на изследователите не разрешават абсолютно дебата, казва Кели, но дават повече информация за проблема и приближават физиците до получаването на най-точното измерване на възрастта на Вселената.

С бъдещи наблюдения на повече „свръхнови с отложено време“ изследователите искат да подобрят използвания метод. По този начин искат и да подобрят разбирането ни за разпределението на тъмната материя в клъстерите на лещите или системите от лещи.

Patrick Kelly et al, Constraints on the Hubble constant from Supernova Refsdal's reappearance, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abh1322. www.science.org/doi/10.1126/science.abh1322

Patrick L. Kelly et al, The Magnificent Five Images of Supernova Refsdal: Time Delay and Magnification Measurements, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/ac4ccb , iopscience.iop.org/article/10. … 847/1538-4357/ac4ccb

First-of-its-kind measurement of the universe's expansion rate weighs in on a longstanding debate, University of Minnesota