Przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a odkryto trzy odległe supernowe pojaśnione przez ogromną siłę grawitacji pochodzącą od gromad galaktyk, które zachowują się jak pewnego rodzaju kosmiczne soczewki. Supernowe te są w rękach astronomów potężnym narzędziem, które może pomóc nam zrozumieć zachowanie galaktycznych soczewek.

Masywne gromady galaktyk zachowują się jak grawitacyjne soczewki, ponieważ ich potężna siła grawitacji zagina przechodzące przez nie światło. Albert Einstein przewidział to zjawisko w ogólnej teorii względności. Ten soczewkowy fenomen sprawia, że odległe obiekty, znajdujące się za gromadami ukazują się większe i jaśniejsze. Zjawisko soczewkowania stosuje się również do badania obiektów, które w innym przypadku byłyby zbyt słabe do zaobserwowania, nawet największym teleskopem.

Nowe odkrycia są pierwszym krokiem do stworzenia najbardziej precyzyjnej mapy dla takiej soczewki. To, w jakim stopniu obiekt jest powiększony przez soczewkowanie grawitacyjne, zależy od ilości materii w gromadzie, łącznie z ciemną materią, której nie jesteśmy w stanie bezpośrednio zobaczyć. Astronomowie stworzyli mapy, które w pewnym stopniu szacują lokalizację i ilość ciemnej materii zawartej w gromadzie. Stanowią one podstawę opisu soczewkujących właściwości gromady galaktyk i przewidują, jak odległy obiekt zostanie powiększony, kiedy jego światło przejdzie przez tę gromadę. Ale skąd astronomowie wiedzą, że te mapy i opisy są poprawne?

Obecnie dwa niezależne zespoły astronomów (Supernova Cosmology Project i Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble – CLASH) znalazły nową metodę weryfikowania opisów soczewkowania grawitacyjnego. Przeanalizowali trzy supernowe – Tiberius, Didius i Caracalla – z których każda znajduje się za inną masywną gromadą galaktyk, odpowiednio – Abell 383, RXJ1532.9+3021 i MACS J1720.2+3536. Szczęśliwie dwie, a prawdopodobnie wszystkie trzy z tych supernowych, okazały się być typu Ia, co oznacza, że mogą być używane jako świece standardowe.

Gromada galaktyk Abell 383 i supernowa TiberiusNASA/ESA

Efekt soczewkowania grawitacyjnego: gromada galaktyk Abell 383 i supernowa Tiberius (zaznaczona strzałką). Zdjęcie wykonane przez Teleskop Kosmiczny Hubble’a.

Odnalezione supernowe typu Ia mogą być używane jako modele soczewkujących gromad. Oszacowana rzeczywista jasność supernowej typu Ia umożliwia nam zmierzenie powiększenia soczewki. Określono więc jasność soczewkowanych supernowych i porównano je z rzeczywistą jasnością eksplozji w celu obliczenia, o ile jaśniejsza była supernowa dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu. Jedna supernowa szczególnie się wyróżniła sprawiając wrażenie dwukrotnie jaśniejszej niż byłaby bez powiększającej mocy gromady.

Trzy supernowe zostały odkryte przez CLASH, który używa Teleskopu Hubble’a w celu badania rozmieszczenia ciemnej materii w 25 gromadach galaktyk. Dwie supernowe zostały znalezione w 2012 roku, a trzecia w latach 2010-2011. W celu przedstawienia analiz, oba zespoły badawcze użyły obserwacji z Hubble’a, a także obserwacji z innych teleskopów, zarówno naziemnych jak i kosmicznych, do stworzenia niezależnych oszacowań dystansu do tych supernowych.

W niektórych przypadkach obserwacje pozwoliły na bezpośrednie określenie, nazwijmy to rodowodów typu Ia. W innych przypadkach spektrum supernowej było słabe albo przytłoczone przez światło jej galaktyki. Wtedy wykorzystywano różnice w jej jasności w celu ustalenia typu supernowej.

Gromada galaktyk RXJ1532.9+3021 i supernowa DidiusNASA/ESA

Efekt soczewkowania grawitacyjnego: gromada galaktyk RXJ1532.9+3021 i supernowa Didius (zaznaczona strzałką). Zdjęcie wykonane przez Teleskop Kosmiczny Hubble’a.

Każdy zespół porównał swoje wyniki z niezależnymi teoretycznymi modelami zawartości ciemnej materii w gromadach. Okazało się, że ich przewidywania pokrywają się z modelami. Te pilotażowe badania dają więc dobrą bazę do późniejszych obserwacji z użyciem soczewkowanych supernowych, które mogą stać się jeszcze dokładniejsze, szczególnie, że im więcej mamy pewności co do poprawności tych skomplikowanych modeli, tym bardziej możemy na nich polegać w dalszych badaniach wczesnego Wszechświata. Te soczewkowe opisy dostarczają danych dotyczących masy gromad, co pozwala badać różnice i zależności pomiędzy grawitacją a ciemną energią, jako że materia we Wszechświecie jest ściągana do gromad galaktyk. Ciemna energia jest ową tajemniczą i niewidoczną energią, która przyspiesza ekspansję Wszechświata.

Astronomowie patrzą optymistycznie na możliwość znalezienia innych wyjątkowych supernowych za pomocą badań prowadzonych przez Hubble’a takich jak program Frontier Fields, a także przez przyszłe teleskopy, np. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Bardzo istotne jest, aby sprawdzić poprawność modeli tych soczewek w więcej niż jednym przypadku. Hubble już poluje na inne soczewki w programie Frontier Fields – trzyletnim badaniu odległego Wszechświata, które używa masywnych gromad galaktyk jako soczewek grawitacyjnych w celu odkrycia, co znajduje się za nimi.

Autor

Weronika Łajewska
Weronika Łajewska