Egy kozmikus lencse felnagyította egy távoli, felrobbanó csillag fényét. A csillagászok ezt a szupernóvát vizsgálták, hogy kiszámíthassák az Univerzum tágulási ütemét.

Az Univerzumban hétköznapi esemény egy csillag felrobbanása. Az a szupernóva azonban, amint Patrick Kelly 2014-ben talált, a véletlenszerű felfedezés csimborasszója: egy robbanás, amelyet nemcsak hogy detonáció közben fedeztek fel, de még fel is nagyította az előtérben lévő galaxisok együttes gravitációja.

A Hubble-űrtávcső 2014-ben készített felvételén a Refsdal-szupernóva helyzete, ahogy Kelly először megfigyelte a MACS J1149+2223 jelű galaxishalmaz mögött. Mind a halmaz, mind az elliptikus galaxis lencsézte a szupernóva fényét, több képpé osztva azt. A legfelső kör azt a helyet mutatja, ahol a szupernóvát 1995-ben látnunk kellett volna (de észlelés akkor nem történt). A legalsó kör mutatja azt a galaxist, amely lencsézte a Refsdal-szupernóvát. A középső kör azt a pozíciót jelöli, ahova jósolták a szupernóva újbóli megjelenését 2015 végén. (Forrás: NASA / ESA / S. Rodney (JHUAPL), FrontierSN team / T. Treu (UCLA), P. Kelly (UC Berkeley), GLASS team / J. Lotz (STScI), Frontier Fields team / M. Postman (STScI) and the CLASH team / Z. Levay (STScI))

Kelly (University of Minnesota) munkacsoportja arra használta a véletlenszerűen felfedezett szupernóvát, hogy független méréseket végezzen a Világegyetem jelenlegi tágulási üteméről – arról az értékről, amelyről a csillagászok már egy évtizede élénken vitatkoznak. Bár ezt a vitát most nem fogja rendezni, a mérés egy olyan független módszerrel mindenképp szolgál, amire nagy szükségük van a kutatóknak.

Egy megjósolt szupernóva

A Refsdal-szupernóva fénye (sárga) elhaladt a nagy galaxishalmazban lévő elliptikus galaxis mellett, és az négy irányba térítette el. (Forrás: NASA / ESA / S. Rodney & the FrontierSN /T. Treu / P. Kelly & GLASS / J. Lotz & Frontier Fields / M. Postman & CLASH / Z. Levay)

A norvég csillagászról, Sjur Refsdalról elnevezett szupernóva a Föld irányából nézve egy kozmikus lencse mögé került: az égitest fényét egy nagy tömegű galaxishalmaz nagyította fel, hajlította meg, és választotta szét egymással megegyező képekre. Kelly, aki 2014-ben végzős hallgató volt, vizuálisan kutakodott a Hubble-űrtávcső felvételein, amikor meglátta a három fényes pontot, és azonnal értesítette a kutatócsoportot. (A halványabb, negyedik képet később fedezték fel.) „Azonnal látszott, hogy nagyon izgalmas felfedezés.” – mondta akkoriban egy interjúban.

Viszont a gravitációs lencsézés, melynek optikai elve megegyezik a szemüveglencséével, nem négy, hanem öt képet kellett volna létrehozzon. Egy kép hiányzott. Kelly és munkatársai úgy gondolták, hogy az utolsó kép fényének nagyobb utat kell megtennie a Földig a halmazon keresztül, mint a többinek, és az úthossztól függően egy év vagy akár egy évtized múlva is feltűnhet.

Egy év múlva fel is bukkant.

Vajon szembeszállhat egy szupernóva a Hubble-feszültséggel?

A Science című tudományos lapban nemrég közzétett tanulmány azzal foglalkozik, hogy mit árulhat el a Refsdal-szupernóva a Világegyetem tágulásáról. Az Univerzum az ősrobbanás óta folyamatosan, bár eltérő ütemben tágul. A csillagászok korábban több különböző módon is megmérték, milyen sebességgel tágul jelenleg, egy ehhez kapcsolódó értéket nevezünk Hubble-állandónak. A mérési módok nagy része gondosan kiszámított távolságokon alapul. Ahogy azonban a mérések még pontosabbá váltak, a kutatások eltérő eredményekre jutottak – ezt nevezzük Hubble-feszültségnek.

Bár ez a feszültség probléma lehet a kozmológia sztenderd modelljére nézve (amely magában foglalja a rejtélyes sötét anyagot és a hasonlóképpen rejtélyes sötét energiát), még mindig fennáll annak a lehetősége, hogy az eltérő eredményeket a mérésekben előforduló szisztematikus hibák okozzák. A Refsdal-szupernóva új lehetőséget teremt a Hubble-állandó mérésére, és bár ez sem mentes a szisztematikus hibáktól, azoktól legalább igen, amelyek a többi mérési módszert sújtották. 

Kelly és munkatársai először megállapították a szupernóva távolságát az utolsó kép megjelenése alapján. (Magát az időbeni eltérést egy másik szakcikkben pontosan kiszámították. Ezt az Astrophysical Journal tette közzé.) Ehhez először is pontosan meg kellett határozni a tömegeloszlást a közbeeső galaxishalmazban. Mivel a halmaz gravitációja az, ami meghajlítja a fényt, a tömegeloszlás meghatározása alapvetően olyan, mintha a kozmikus lencse szerkezetét ismernénk meg. Kelly csapata egy sor halmazmodell segítségével 63,3 és 70,7 km/s/megaparszek közé becsülte a Hubble-állandót.

Az ábra a Hubble-állandó néhány, az elmúlt évtizedben végzett mérését mutatja be a közeli (lásd a „Late”, vagyis késői felirattal ellátott részben), illetve a távoli (az „Early”, vagyis korai feliratú részben) források esetén. A Refsdal-szupernóvából származó becslés (amit itt nem ábrázoltak), a korai táborba esik, de a nagy hibahatár miatt nem zárhatók ki teljesen a nagyobb értékek. (Forrás: Vivien Bonvin / HOLiCOW Team)

Bár itt elég nagy még a mozgástér, ezek az értékek összhangban állnak azzal, amit a csillagászok korábban a Planck-műholddal a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásról végzett megfigyelések alapján megállapítottak. Továbbá egybeesik más becslésekkel is, például a SHOES kutatócsoport eredményeivel, amely a cefeida változócsillagok és az Ia típusú szupernóvák megfigyelésein alapult, valamint a H0LICOW kutatócsoport megfigyeléseivel, amely távoli, lencsézett kvazárokat tanulmányoz.

Christopher Kochanek (Ohio State University), aki nem vett részt a kutatásban, úgy gondolja, hogy ez meggyőző eredmény. Azt azonban kétségbe vonja, hogy a Hubble-állandó új mérései elég pontosak ahhoz, hogy használhatóak legyenek. A mérés bizonytalansága 6%, viszont „1 vagy 2%-os mérés kell ahhoz, hogy versenyképes legyél”, mondja.

„Az ördög a lencsemodellekben bújik meg.” – teszi hozzá. Kelly kutatócsoportja sok modellt alkalmazott, majd kiszámította az eredmények egyfajta súlyozott átlagát. Kochanek azonban felhívja a figyelmet arra, hogy a pontosság növekedésével a bizonytalanság is megnő. „A bizonytalanságot legfőképpen a modellek közötti szórás okozza, nem pedig a tényleges időbeni eltéréssel kapcsolatos mérések. Sajnos pontosan ez az a fajta bizonytalanság, amely nem csökken, ha több mérést végzünk el.” – magyarázza. „Valahogyan meg kell határozni, hogy melyik lencsemodell a „helyes” (bár arra nincs garancia, hogy bármelyik is az volna).”

Kelly kutatócsoportja egyetért azzal, hogy a lencsemodellek pontosság szempontjából bizonytalanságot jelentenek, hozzáteszik ugyanakkor, hogy ha a halmaz tömegeloszlását pontosan ismernénk, akkor 1,5%-os pontossággal tudnánk mérni a Hubble-állandót. A Webb-űrtávcső megfigyelései alapján pontosíthatunk majd a halmaz tömegére vonatkozó adatokon, és akkor még értékesebbé válnak a Refsdal-szupernóva észlelései.

A Hubble-állandó jobb megértéséhez kulcsfontosságú lesz, hogy még több lencsézett szupernóvát fedezzünk fel. A csillagászok nemrég egy újabbat találtak a Webb-űrtávcsővel: az SN H0pe jelűt. Minden bizonnyal a fent ismertetett módszert fogják alkalmazni arra a számtalan lencsézett szupernóvára is, amelyet várhatóan a hamarosan elkészülő Vera Rubin Obszervatórium fog találni.

Forrás: Sky & Telescope