«Сверхновая была названа «Надежда», поскольку она даёт астрономам надежду лучше понять меняющуюся скорость расширения Вселенной».
С помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба астрономы получили потрясающее изображение далёкой сверхновой в галактике, которая выглядит так, будто её растягивают.
Однако золотистое пятно, скрывающее эту гравитационно-линзированную сверхновую, которую прозвали «сверхновой Надежды», примечательно не только своей эстетической ценностью. Сверхновая, которая взорвалась, когда 13,8-миллиардной Вселенной было всего около 3,5 миллиарда лет, рассказывает нам кое-что об огромной проблеме в космологии, называемой «хаббловской напряжённостью».
Хаббловская напряжённость возникает из-за того, что учёные не могут прийти к согласию относительно точной скорости расширения Вселенной, диктуемой постоянной Хаббла. В принципе, скорость можно измерить, начиная с локальной (и, следовательно, недавней) Вселенной, а затем двигаться дальше в прошлое — или же рассчитать её, начиная с далёкой (и, следовательно, ранней) Вселенной, а затем прокладывая свой путь ближе к нам. Проблема в том, что два этих метода дают значения, которые не согласуются друг с другом. Именно здесь на помощь приходит «Уэбб».
Гравитационно линзированные сверхновые в раннем космосе, за которыми наблюдает «Уэбб», могут дать третий способ измерения этой скорости, потенциально помогая разрешить «проблему Хаббла».
«Сверхновая была названа «Надежда», поскольку она даёт астрономам надежду лучше понять изменение скорости расширения Вселенной», — говорит Бренда Фрай, руководитель группы исследователей и исследователь из Университета Аризоны, в заявлении НАСА.
Исследование сверхновой «Надежда» началось с того, что Фрай и её международная команда учёных обнаружили три любопытные точки света на снимке «Уэбб» далёкого, плотно упакованного скопления галактик. Эти точки света не были видны, когда космический телескоп «Хаббл» делал снимок этого же скопления, известного как PLCK G165.7+67.0 или, проще говоря, G165, ещё в 2015 году.
«Всё началось с одного вопроса команды: «Что это за три точки, которых раньше не было? Может, это сверхновая?»» сказал Фрай. «Первоначальный анализ подтвердил, что эти точки соответствуют взорвавшейся звезде, причём обладающей редкими особенностями».
Пространство вокруг G165 было выбрано для программы PEARLS, потому что оно находится в самом разгаре «вспышки звёздообразования», периода интенсивного звёздообразования, когда в год рождается 300 звёзд солнечной массы. Такие высокие темпы звёздообразования коррелируют с большим количеством взрывов сверхновых.
Сверхновая «Надежда» — это особый тип сверхновой, называемый сверхновой типа Ia. Такие сверхновые возникают в двойных системах, содержащих звезду главной последовательности, такую как Солнце, и звезду, которая исчерпала своё топливо для ядерного синтеза и превратилась в мёртвую оболочку, называемую белым карликом.
Если эти звёздные тела находятся достаточно близко, то мёртвая звезда может действовать как космический вампир, вытягивая плазму из живой звезды-«донора». По мере того как это продолжается, материал накапливается, пока не приводит к термоядерному взрыву — взрыву, который мы видим как сверхновую типа Ia. Благодаря равномерности вспышек света эти сверхновые являются отличным инструментом, который астрономы могут использовать для измерения космических расстояний. Поэтому астрономы называют сверхновые типа Ia «стандартными свечами».
Один из способов получить значение постоянной Хаббла — посмотреть на сверхновые типа Ia в локальной Вселенной, измерить их расстояния от нас и друг от друга, а затем измерить, насколько быстро они удаляются. Другой основной метод измерения расширения Вселенной заключается в наблюдении за далёкой Вселенной, а затем вычислении скорости расширения космоса путём дедукции.
Но, как уже говорилось, эти методы не совпадают. Сверхновая «Надежда», однако, может стать связующим звеном между этими двумя методами.
Эйнштейн протягивает руку помощи
Гравитационное линзирование — это эффект, предсказанный в труде Альберта Эйнштейна о теории гравитации, который был создан в 1915 году и называется «общей теорией относительности».
Общая теория относительности предполагает, что объекты с массой вызывают искривление пространства-времени, четырёхмерного объединения пространства и времени, а гравитация возникает из-за этого искривления. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривление пространства и, следовательно, тем больше гравитационное влияние объекта. Именно это заставляет луны вращаться вокруг планет, планеты — вокруг звёзд, а звезды — вокруг сверхмассивных чёрных дыр.
Это искривление пространства-времени имеет и другой интересный эффект. Когда свет проходит мимо объекта с сильным искривляющим влиянием, который мы теперь будем называть «гравитационной линзой», путь света искривляется вокруг объекта искривления. Путь света зависит от того, насколько близко он находится к гравитационной линзе.
Это означает, что свет от одного и того же объекта может идти по путям, изогнутым в разной степени и имеющим разную длину. Поэтому свет может попадать на телескопы, подобные «Уэбб», в разное время. Именно поэтому линзированный фоновый объект может казаться «размазанным», как ириска, или появляться в нескольких местах на одном и том же изображении.
Именно это происходит со сверхновой «Надежда» на этом снимке, когда её свет проходит через гравитационную линзу G165.
«Гравитационное линзирование очень важно для этого эксперимента. Линза, состоящая из скопления галактик, расположенного между сверхновой и нами, изгибает свет сверхновой, давая несколько её изображений», — говорит Фрай. «Это похоже на то, как трёхстворчатое зеркало даёт три разных изображения человека, сидящего перед ним».
Исследователь из Университета Аризоны объяснил, что эффект был продемонстрирован прямо на глазах команды на снимке G165 «Уэбб», где среднее изображение сверхновой казалось перевёрнутым по отношению к двум другим.
«Чтобы получить три изображения, свет двигался по трём разным путям. Поскольку каждый путь имеет разную длину, а свет движется с одинаковой скоростью, сверхновая была изображена на этом снимке «Уэбб» в три разных момента времени во время её взрыва», — продолжает Фрай. В аналогии с трёхстворчатым зеркалом возникла временная задержка, когда правое зеркало показывало человека, поднимающего расчёску, левое зеркало показывало расчёсывание волос, а среднее зеркало показывало человека, опускающего расчёску».
«Трёхкратные изображения сверхновых — особенные. Временные задержки, расстояние до сверхновой и свойства гравитационного линзирования позволяют получить значение постоянной Хаббла».
Команда проследила за сверхновой «Надежда» с помощью «Уэбба», а также некоторых земных приборов, включая 6,5-метровый телескоп MMT на горе Хопкинс и Большой бинокулярный телескоп на горе Грэм, расположенных в Аризоне.
Это позволило команде подтвердить, что сверхновая «Надежда» привязана к фоновой галактике, расположенной далеко позади линзирующего скопления G165. Свет от космического взрыва добирается до Земли уже 10,3 миллиарда лет, а это значит, что белый карлик взорвался всего через 3,5 миллиарда лет после Большого взрыва.
Другой член команды провёл ещё одно измерение временной задержки, проанализировав эволюцию её света, рассеянного на составляющие цвета или «спектр» с помощью «Уэбба», что подтвердило природу сверхновой “Надежда” типа Ia», — сказал Фрай. «Сверхновая “Надежда” — одна из самых далёких сверхновых типа Ia, наблюдавшихся до сих пор».
Несмотря на существование в ранней Вселенной, значение постоянной Хаббла, полученное в результате наблюдений сверхновой Хоуп, похоже, соответствует измерениям других стандартных свечей в локальной Вселенной, тем самым не согласуясь с измерениями других объектов в ранней Вселенной.
«Результаты нашей команды имеют большое значение», — заключил Фрай. «Значение постоянной Хаббла совпадает с другими измерениями в локальной Вселенной и несколько противоречит значениям, полученным, когда Вселенная была молодой. Наблюдения «Уэбба» в третьем цикле улучшат неопределённость, что позволит более точно определить постоянную Хаббла».
