Webb odkrył potrójny obraz supernowej H0pe dzięki kosmicznej soczewce G165

Czy można sfotografować na jednym zdjęciu ten sam obiekt w różnym czasie, np. fotka ogolonego i przystrzyżonego faceta oraz jednocześnie tego samego gościa z trzytygodniowym oraz półtoramiesięcznym zarostem? Tak – z pomocą soczewkowania grawitacyjnego. Czegoś podobnego dokonał dokonał Teleskop Webb, fotografując potrójny obraz supernowej SN H0pe (ilustracja tytułowa→3 czerwone okręgi) – aczkolwiek w supernowych obserwuje się nie „zarost”, ale ich jasność i widma. Ta supernowa jest ważna, ponieważ jest nadzieją (ang. „hope”) na rozwiązanie kryzysu w Kosmologii - może pomóc w niezależnym wyznaczeniu wartości stałej Hubble’a „H₀”, która określa tempo ekspansji Wszechświata.

Na ilustracji (1): Pokazano zdjęcie gromady galaktyk PLCK G165.7+67.0 (w skrócie G165) wykonane przez Teleskop Webba. W tle kolorowego zdjęcia JWST w formie negatywu pokazano obraz otoczenia G165 sfotografowany przez Teleskop Kanadyjsko-Francusko-Hawajski w filtrze „r”. Na zdjęciu widać wiele galaktyk tła, które są grawitacyjne ogniskowane przez gromadę galaktyk G165 znajdującą się przed tymi galaktykami. W szczególności w wyraźnym, pomarańczowym łuk po lewej stronie zdjęcia zaobserwowano potrójny obraz supernowej H0pe, która obecnie jest drugą co do odległości zaobserwowaną supernową typu Ia. Z obszaru oznaczonego zielonym kwadratem wykorzystano dane do stworzenia modelu soczewki grawitacyjnej G165. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Kosmiczna scena – PLCK G165.7+67.0

Najbardziej efektowną cechą gromady galaktyk PLCK G165.7+67.0, która skrótowo została oznaczona jako G165, są jej właściwości silnego soczewkowania grawitacyjnego pozwalające obserwować obiekty tła z bezprecedensową wyrazistością. Silne soczewkowanie występuje, gdy pole grawitacyjne masywnego obiektu jakim jest np. G165 zakrzywia i wzmacnia światło obiektów tła i tworzy wielokrotne obrazy niektórych z nich. Jest to efekt podobny do patrzenia przez „kosmiczną” lupę

Początkowo G165 zainteresowała astronomów zjawiskiem soczewkowania grawitacyjnego – w szczególności powiększenie jasnej galaktyki tła oznaczonej jako „Arc 1”. Ta galaktyka była obserwowana przez kosmiczne obserwatoria Plancka i Herschela.

Na ilustracji (2): W łukach 2a, 2b i 2c będących obrazem tej samej galaktyki tła zaobserwowano potrójny obraz supernowej H0pe - obecnie drugiej co do odległości zaobserwowanej supernowej typu Ia. Każdy z trzech obrazów SN H0pe jest wskazany białą strzałką. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Na ilustracji (2): U góry pokazano centralny obszar gromady galaktyk PLCK G165.7+67.0 (w skrócie G165) z podwójnym jądrem oznaczonym w-g położenia na niebie NE i SW oraz oznaczono etykietami struktury soczewkowane przez G165. Na zdjęciu zidentyfikowano przynajmniej 21 takich niezależnych, wielokrotnych źródeł światła zwanych systemami/układami obrazów, które zostały ponumerowane. Na dole w łukach 2a, 2b i 2c będących obrazem tej samej galaktyki tła zaobserwowano potrójny obraz supernowej H0pe - obecnie drugiej co do odległości zaobserwowanej supernowej typu Ia. Każdy z trzech obrazów SN H0pe jest wskazany białą strzałką. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

G165 nie jest typową gromadą galaktyk, ponieważ prezentuje strukturę z wyraźnymi dwoma jądrami. Jej jasność w zakresie rentgenowskim jest mniejsza niż należałoby oczekiwać dla jej przesunięcia ku czerwieni z=0,35 (odległość około 4,5 miliarda lat świetlnych).

Już wcześniejsze obserwacje za pomocą Teleskopu Hubble’a ujawniły układ wielokrotnych obrazów i dostarczyły informacje na temat struktury tej gromady galaktyk. Zjawisko soczewkowania pozwoliło astronomom potwierdzić, że istnieje zarówno północno-wschodnie (NE) jak i południowo-zachodnie (SW) jądro gromady galaktyk G165 oraz, że posiada bardzo dużą masę.

Całkowitą masę G165 ocenia się na ~2600 bilionów M_ʘ według długiej skali (2,6x10¹⁴M_ʘ), czyli kilkaset razy większą niż masa Drogi Mlecznej. Oszacowanie jej masy stanowi wyzwanie z powodu galaktyki oznaczonej jak „Arc 1 b/c”, która jest bardzo jasna w dalekiej podczerwieni. Te intrygujące właściwości sprawiają, że G165 jest idealnym obiektem do obserwacji astrofizycznych.

Na ilustracji (3): Zdjęcie dwóch głównych jąder (NW + NE) pierwszoplanowej gromady galaktyk G165 będącej silną soczewką grawitacyjną. Purpurowe linie obrazują krzywe krytyczne (obszary o największym wzmocnieniu jasności / powiększeniu) dla kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni z=2,0 w modelu soczewki grawitacyjnej G165 uzyskanej na podstawie najnowszych obserwacji. Zdjęcie zostało wykonane za pomocą Teleskopu Webba i kamery NIRCam w 8 filtrach. Dla galaktyki macierzystej, w której znajduje się supernowa SN H0pe obserwuje się około 7-krotne wzmocnienie jasności („powiększenie”) wskutek soczewkowania grawitacyjnego pochodzącego od G165. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Supernowa SN H0pe jako potencjalna kosmiczna linijka

Obserwacje za pomocą Teleskopu Webba są wykorzystywane do badań gromady galaktyk G165 przez grupę badawczą PEARLS (skrót z j.ang. Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science). Możliwości Teleskopu Webba przewyższają oczekiwania tej grupy astrofizyków.

Teleskop Webba za pomocą kamery NIRCam sfotografował w epokę „1” (~30 marca 2023 roku) trzy punktowe plamki, których wcześniej nie było widać na zdjęciach z Teleskopu Hubble’a (patrz ilustracja (5)). Z dużym prawdopodobieństwem przyjęto hipotezę, że jest to supernowa typu Ia.

Kolejne obserwacje w epokach „2” i „3” (~22 kwietnia / 9 maja 2023 roku) dostarczyły dodatkowych danych do krzywej blasku pokazanej na ilustracji (4) – co wzbogaciło naszą wiedzę na temat przebiegu tego zjawiska.

Supernowa otrzymała nazwę „SN H0pe” – co oznacza nadzieję (ang. „hope”) kosmologów na rozwiązanie problemu „napięcia Hubble’a” poprzez dokładne wyznaczenie stałej Hubble’a („H₀” – tak ją standardowo oznaczają astrofizycy) determinującej tempo rozszerzania się Wszechświata.

SN H0pe znajduje się w odległości określonej przesunięciem ku czerwieniu z=1,78 w trzech różnych położeniach na niebie wskazanych białymi strzałkami SN2a, SN2b i SN2c na ilustracji (2), jako efekt soczewkowana grawitacyjnego przez gromadę galaktyk G165. Na zestawieniu najbardziej odległych supernowych SN H0pe znajduje się na drugiej pozycji jako supernowa typu Ia – tuż za SN UDS10Wil (SN Wilson). Jest to druga supernowa o trzech soczewkowanych obrazach, która została zaobserwowana przez Teleskop Webba – pierwszą była SN 2022riv.

Na krzywej blasku SN H0pe (patrz ilustracja (4)) pokazano kilkukrotnie wolniejszy upływ czasu (… liczba dni) w układzie odniesienia ziemskiego obserwatora w porównaniu do obserwatora związanego z SN H0pe (skala czasowa „MJD” vs „Rest-Frame Days”).

Trzy obrazy tej samej supernowej H0pe wywołane przez silne soczewkowanie grawitacyjne gromady galaktyk G165 na zdjęciach dla trzech różnych epok (~30 marca / 22 kwietnia / 9 maja 2023 roku) są podstawą jej fotometrii – przy czym obraz 2b jest najwcześniejszy, kolejny to 2c i ostatni chronologicznie – 2a (zob. legenda). Jasność każdego punktu na krzywej blasku została poprawiona zgodnie z najlepszym modelem soczewki grawitacyjnej G165 w zakresie wzmocnienia jasności i opóźnień czasowych. Dla lepszej czytelności ilustracji, krzywe blasku zostały odrobinę przesunięte poziomo (np. krzywa dla filtru F277W). Linie ciągłe reprezentują najlepiej dopasowane krzywe blasku dla pięciu filtrów wymienionych w legendzie.

Na ilustracji (4): Krzywa blasku supernowej SN H0pe uzyskana na podstawie zdjęć z Teleskopu Webba w pięciu filtrach kamery NIRCam (długości fali λ~0,9-2,77μm). Oś czasu zaprezentowano w dwóch układach odniesienia: ziemskiego obserwatora (dolna skala czasowa MJD) oraz układzie własnym supernowej H0pe (górna skala czasowa „Rest-Frame Days”).
W granicach błędów wydaje się, że widzimy tą samą supernową z powtórzonymi obrazami przesuniętymi czasowo o kilka tygodni – co wynika z różnic w czasie podróży światła od rożnych obrazów supernowej. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Na ilustracji (5): Pokazano serię czasową zdjęć 3”x3” z supernową SN H0pe (z=1,78) zaznaczoną w okręgu na tle galaktyki macierzystej w trzech momentach czasu – „epokach” (~30 marca / ~22 kwietnia / 9 maja 2023 roku). Są to negatywy trzech obrazów (SN 2a / SN 2b / SN 2c) zrobionych przez kamerę NIRCam w trzech filtrach (średnie długości fali λ: 0,9, 1,50 i 2,77μm). Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Aktualnie zostało opublikowane widmo supernowej SN H0pe wykonane z powierzchni Ziemi w dniu 16 kwietnia 2023 roku za pomocą 8,4 m Large Binocular Telescope (zob. ilustracja (6)).

Zostały również zarejestrowane trzy bardzo dobrej jakości widma SN H0pe za pomocą spektrografu NIRSpec współpracującego z Teleskopem Webba. Jeszcze jest przygotowywana publikacja na ten temat, która wkrótce ukaże się. Zostanie w niej szczegółowo przeanalizowane widmo SN H0pe, klasyfikacja widmowa typu Ia oraz wyznaczone spektroskopowo opóźnienia czasowe pomiędzy różnymi obrazami supernowej.

Stwarza to unikalne możliwości wyznaczenia stałej Hubble’a H0 poprzez pomiary opóźnień czasowych pomiędzy wielokrotnymi obrazami tego samego obiektu, które powstały w wyniku soczewkowania grawitacyjnego. Na razie wartość H0 wyznaczono z wielokrotnych obrazów innej supernowej – SN Refsdala. Takie pomiary mogą rzucić nowe światło na tempo ekspansji Wszechświata oraz jego wiek.

Na ilustracji (6): Widmo supernowej SN H0pe uzyskane za pomocą 8,4 m Large Binocular Telescope w dn. 16 kwietnia 2023 roku. Obejmuje zakres obserwowany z Ziemi 10000-12500Å (0,95-1,37μm) – co po uwzględnieniu przesunięcia ku czerwieni z=1,78 odpowiada w układzie odniesienia SN H0pe zakresowi widzialnemu ~3550-4450Å (~0,355-0,445μm). Zaprezentowano uśrednione widma (czarna linia) z obrazów 2a i 2b, uśrednione widmo z obu ww. widm SN H0pe („average”) oraz uśrednione widmo tła nieba („sky”). Źródło (CC BY 4.0): M.Polletta i inni, A&A 675, L4 (2023)

„Nadgęstość” galaktyk w łukach „Arc 2”, „Arc 1a” i grupie „z=1,65”

W tle gromady galaktyk G165 astronomowie zidentyfikowali ogółem 21 wielokrotnych obrazów odleglejszych obiektów – najczęściej galaktyk, które zostały ponumerowane (patrz ilustracja (2) góra). Niektóre z tych soczewkowanych obiektów znajdują się przynajmniej wizualnie niedaleko od łuku „Arc 2” – galaktyki macierzystej supernowej H0pe.

Astronomowie mają sposoby, aby odróżnić, czy takie obiekty widoczne na niebie znajdują się tylko pozornie blisko siebie, czy też fizycznie. Niezwykle pomocne okazały się tutaj widma w bliskiej podczerwieni (~1-5μm) tych odległych galaktyk zrobione przez spektrograf NIRSpec współpracujący z Teleskopem Webba.

Jeżeli galaktyki np. w pobliżu łuku „Arc 2” tworzą gromadę galaktyk znajdująca się w bliskiej odległości od siebie, to w ich widmach widać linie absorpcyjne i emisyjne o różnych natężeniach, ale o takich samych długościach fali – widać to na ilustracji (7). Może to wskazywać na istnienie „nadgęstości” galaktyk (ang. galaxy overdensity), czyli grupy/gromady galaktyk tła soczewkowanych przez znajdującą się bliżej gromadę galaktyk, taką jak np. G165.

Z pomocą widm uzyskanych dzięki spektrografowi NIRSpec astronomowie potwierdzili istnienie sześciu galaktyk, z których cztery otaczają galaktykę „Arc 2” w odległości kilkuset tysięcy l.św. Galaktyka „Arc 2” zawiera główną masę całej tej zwartej gromady galaktyk – aż 10 razy większą niż inne obiekty tej grupy. Masę galaktyki „Arc 2” astronomowie oszacowali na 500 miliardów mas Słońca – co sugeruje, że zakończyła procesy gwiazdotwórcze około 1 miliard lat wcześniej i jest otoczona przez galaktyki karłowate, w których trwa intensywne formowanie się gwiazd.

W widmach galaktyk szczególnie istotny jest wygląd linii wodoru Hα, który pozwala na ocenę tempa procesów gwiazdotwórczych. Na widmach zwartej grupy galaktyk wokół „Arc 2” pokazanych na ilustracji (7) linia Hα jest przesunięta z laboratoryjnej długości fali 0,656μm aż do ~1,8μm z powodu rozszerzania się Wszechświata. Astronomowie oszacowali, że w galaktyce „Arc 1” powinna wybuchać 1 supernowa na rok – przy czym częściej obserwuje się supernowe typu II niż Ia. Dlatego warto systematycznie monitorować tą galaktykę – co powinno zaowocować obserwacjami kilku supernowych typu Ia w ciągu działalności operacyjnej Teleskopu Webba.

Na ilustracji (7): Pokazano soczewkowane grawitacyjne przez gromadę galaktyk G165 widma kilku galaktyk tła (po lewej) i ich zdjęcia (po prawej) w pobliżu łuku „Arc 2”. Porównywalne położenie linii emisyjnych różnych zidentyfikowanych pierwiastków i jonów oznacza, że te obiekty posiadają taką samą wartość przesunięcia ku czerwieni z ≈ 1,78, a tym samym – taką samą odległość od nas. Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Na ilustracji (8) pokazano jeszcze dwie inne zwarte gromady galaktyk tła poza łukiem „Arc 2”, które są soczewkowane przez znajdująca się bliżej gromadę galaktyk G165.

Na zdjęciu po lewej wskazano strzałkami zwartą grupę galaktyk otaczającą łuk „Arc 1a” o z~2,2 (odległość współporuszająca się ~ 18 miliardów l.św.).

W tej grupie liczącej ogółem 7 galaktyk spektroskopowo potwierdzone przesunięcia ku czerwieni z_sp posiadają galaktyki Arc 1a i NS_46, zaś pozostałe – fotometryczne przesunięcie ku czerwieni z_ph. Widać tutaj zarówno wielokrotne obrazy galaktyk Arc 3, 4, 6 i 15, jaki pojedynczy obraz soczewkowanej galaktyki znajdujący się zaledwie 20 kpc od galaktyk Arc 1a i NS_46. Każda z tych galaktyk wykazuje zwartą morfologię, która jest zgodna gwałtownym tempem procesów gwiazdotwórczych charakterystycznym dla kosmicznego południa, czyli epoki od ~2 do ~3 miliardy lat po Wielkim Wybuchy (z: ~3 → ~2). Jeżeli przesunięcia ku czerwieni tej grupy galaktyk są poprawnie wyznaczone, to powinny one ze sobą oddziaływać przy wzajemnej odległości ~20kpc.

Na zdjęciu po prawej wskazano strzałkami grupę galaktyk liczącą 7 obiektów o przesunięciu ku czerwieni z = 1,65 wyznaczonym fotometrycznie – co odpowiada odległości współporuszającej się około 15 miliardów l.św.

Większość galaktyk-kandydatów tej grupy prezentuje podobną czerwoną barwę i eliptyczny kształt. Te galaktyki wyróżniają się względnie dużą masą i wiekiem > 1 miliarda lat oczekiwanym dla ewolucji galaktyk przy dużych przesunięciach ku czerwieni po wyczerpaniu się gazu. W galaktyce wskazanej żółtą strzałką zachodzą silne procesy gwiazdotwórcze. Ta grupa galaktyk znajduje się względem się siebie nie dalej niż 130 kpc. Do potwierdzenia tych wniosków niezbędne są jeszcze obserwacji spektroskopowe tej grupy galaktyk.

Na ilustracji (8): Dwa zdjęcia uzyskane Teleskopem Webba z kamera NIRCam prezentują dwa różne obszary przestrzeni poza łukiem „Arc 2” ze zwartymi grupami galaktykami, które są soczewkowane przez znajdująca się przed nami gromadę galaktyk G165. Na zdjęciu po lewej wskazano strzałkami zwartą grupę galaktyk otaczającą łuk „Arc 1a” o z~2,2 (odległość współporuszająca się ~18 miliardów l.św.). Na zdjęciu po prawej wskazano strzałkami grupę galaktyk liczącą 7 obiektów o przesunięciu ku czerwieni z = 1,65 wyznaczonym fotometrycznie – co odpowiada odległości współporuszającej się ~15 miliardów l.św.
Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Więcej informacji:

Publikacja naukowa:

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

Na ilustracji tytułowej: Pokazano zdjęcie gromady galaktyk PLCK G165.7+67.0 (w skrócie G165) zrobione przez kamerę NIRCam w Teleskopie Webba. G165 (z=0,35) jest silną soczewką grawitacyjną, która powiększa i wzmacnia jasność galaktyk znajdujących się w tle. W jednej z nich (z=1,78) widocznej jako potrójny obraz (duży, pomarańczowy łuk oznaczony „Arc 2”) w marcu 2023 roku Teleskop Webba odkrył potrójny obraz supernowej SN H0pe w miejscach oznaczonych czerwonymi okręgami z opóźnieniem ~50, 0 i ~20 dni. Oprac. na podstawie: arXiv:2309.07326 [astro-ph.GA]

soczewkowanie grawitacyjne

kosmiczne południe

stała kosmologiczna

kosmografia opóźnień czasowych

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

JWST