Zespół naukowców Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) wykorzystuje soczewkowanie grawitacyjne do poprawy precyzji stałej Kosmicznego Teleskopu Hubble'a (HST).
Pomiar stałej Hubble’a, czyli tempa rozszerzania się Wszechświata, jest ważnym 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 z JWST zawierające zmienne cefeidy 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 Uniwersytetu Arizony i zespół wielu badaczy z różnych instytucji na całym świecie przewodzą tym wysiłkom po odkryciu przez JWST trzech punktów świetlnych w kierunku odległej i gęsto zaludnionej gromady galaktyk. Doktor 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: czym są te trzy kropki, których wcześniej nie było? Czy to może być supernowa? Punkty światła, niewidoczne w obrazowaniu HST z 2015 roku tej samej gwiazdy, były oczywiste, gdy obrazy PLCK G165.7+67.0 dotarły na Ziemię z realizowanego przez JWST programu Guaranteed Time Observations of the Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science (PEARLS) ‘Clusters’. Członkowie zespołu wskazują, że pytanie to było pierwszym, które przyszło im do głowy – i to 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 z JWST zostało to jasno zademonstrowane, 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 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 w ramach podwójnej ślepej 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 (obie góry znajdują się 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 JWST, 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 JWST, 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 do pewnego stopnia sprzeczna z wartościami uzyskanymi dla młodego Wszechświata. Obserwacje JWST w Cyklu 3 umożliwią bardziej precyzyjne ustalenie wartości H0.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Webb Researchers Discover Lensed Supernova, Confirm Hubble Tension
- JWST Spectroscopy of SN H0pe: Classification and Time Delays of a Triply Imaged Type Ia Supernova at z = 1.78
Źródło: NASA
Na ilustracji: Obraz gromady galaktyk PLCK G165.7+67.0 z JWST po lewej stronie pokazuje efekt powiększający, jaki gromada na pierwszym planie może mieć na odległy Wszechświat. Powiększony obszar po prawej stronie pokazuje supernową H0pe potrójnie obrazowaną (oznaczoną białymi przerywanymi okręgami) z powodu soczewkowania grawitacyjnego. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Brenda Frye (University of Arizona), Rogier Windhorst (ASU), S. Cohen (ASU), Jordan C. J. D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU)
