На этом изображении космического телескопа «Хаббл» показана мощная гравитация галактики, заключенной в массивном скоплении галактик, создающая множество изображений одной далекой сверхновой, расположенной далеко позади нее. Изображение показывает расположение галактики в большом скоплении галактик под названием MACS J1149.6+2223, расположенном на расстоянии более 5 миллиардов световых лет от нас. На увеличенной врезке галактики стрелки указывают на многочисленные изображения взрывающейся звезды под названием Сверхновая Рефсдал, расположенной на расстоянии 9,3 миллиарда световых лет от Земли. Сверхновые с гравитационными линзами, такие как SN Refsdal, предлагают астрономам уникальный способ расчета постоянной Хаббла — скорости, с которой ускоряется Вселенная. По сравнению с традиционными методами, основанными на измерении яркости объектов, таких как сверхновые типа Ia, метод использования сверхновых с гравитационными линзами основан на геометрических аспектах. Одна исследовательская группа в настоящее время готовит астрономов к поиску и изучению этих редких объектов с помощью будущего римского космического телескопа Нэнси Грейс НАСА, запуск которого намечен на май 2027 года. Фото: НАСА, ЕКА, Стив А. Родни (JHU), Томмазо Треу (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе), Патрик Келли (Калифорнийский университет в Беркли), Дженнифер Лотц (STScI), Марк Постман (STScI), Золт Дж. Левай (STScI), команда FrontierSN, команда GLASS, команда HFF (STScI), команда CLASH
Астрономы, исследующие одну из самых актуальных загадок космоса – скорость расширения Вселенной – готовятся изучить эту загадку по-новому, используя римский космический телескоп НАСА Нэнси Грейс. Как только он будет запущен к маю 2027 года, астрономы будут изучать широкий спектр изображений Романа в поисках гравитационно-линзированных сверхновых, которые можно использовать для измерения скорости расширения Вселенной.
Существует несколько независимых способов, с помощью которых астрономы могут измерить нынешнюю скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла. Различные методы дали разные значения, называемые напряжением Хаббла.
Большая часть космологических исследований Романа будет посвящена неуловимой темной энергии, которая влияет на расширение Вселенной с течением времени. Одним из основных инструментов этих исследований является довольно традиционный метод, который сравнивает внутреннюю яркость объектов, таких как сверхновые типа Ia, с их воспринимаемой яркостью для определения расстояний.
Альтернативно, астрономы могли бы использовать Романа для изучения гравитационно-линзированных сверхновых. Этот метод исследования постоянной Хаббла уникален среди традиционных методов, поскольку он основан на геометрических методах, а не на яркости.
«Роман — идеальный инструмент, позволяющий начать изучение гравитационно-линзированных сверхновых», — сказал Лу Стролгер из Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе, соруководитель группы, готовящейся к изучению этих объектов Романом. «Они редки, и их очень трудно найти. Нам повезло обнаружить некоторые из них достаточно рано. Обширное поле зрения Романа и повторяющиеся изображения в высоком разрешении повысят эти шансы».
Используя различные обсерватории, такие как космический телескоп НАСА «Хаббл» и космический телескоп Джеймса Уэбба, астрономы обнаружили во Вселенной всего восемь гравитационно-линзированных сверхновых. Однако только двое из этих восьми были жизнеспособными кандидатами для измерения постоянной Хаббла из-за типа сверхновых и продолжительности их изображений с задержкой во времени.
Гравитационное линзирование происходит, когда свет от объекта, такого как звездный взрыв, на пути к Земле, проходит через галактику или скопление галактик и отклоняется огромным гравитационным полем. Свет разделяется по разным путям и формирует несколько изображений сверхновой в небе, какой мы ее видим.
В зависимости от различий между траекториями изображения сверхновых появляются с задержкой на часы, месяцы или даже годы. Точное измерение этой разницы во времени прибытия между несколькими изображениями приводит к комбинации расстояний, которые ограничивают постоянную Хаббла.
«Измерение этих расстояний принципиально иным способом, чем более распространенные методы, в данном случае с использованием той же обсерватории, может помочь пролить свет на то, почему различные методы измерения дали разные результаты», — добавил Джастин Пирел из STScI, соруководитель программы Стролгера. .
Найти иголку в стоге сена
Обширные исследования Романа смогут составить карту Вселенной гораздо быстрее, чем Хаббл, поскольку телескоп «увидит» на одном изображении площадь, более чем в 100 раз превышающую площадь Хаббла.
На этой иллюстрации с использованием изображений сверхновой Рефсдал, полученных космическим телескопом Хаббла, показано, как гравитация массивного скопления галактик MACS J1149.6+2223 изгибает и фокусирует свет сверхновой позади него, в результате чего появляется множество изображений взрывающейся звезды. Это явление называется гравитационным линзированием. Сверхновые с гравитационными линзами предлагают астрономам уникальный способ расчета постоянной Хаббла — скорости, с которой ускоряется Вселенная. Одна исследовательская группа в настоящее время готовит астрономов к поиску и изучению этих редких объектов с помощью будущего римского космического телескопа Нэнси Грейс НАСА, запуск которого запланирован на май 2027 года. На верхнем рисунке показано, что когда звезда взрывается, ее свет проходит через пространство и сталкивается с скопление галактик на переднем плане. Если бы скопления не было, астрономы обнаружили бы только свет сверхновой, направленный прямо на Землю, и увидели бы только одно изображение сверхновой. Однако в случае многократно отображаемой сверхновой световые пути изгибаются под действием гравитации скопления и перенаправляются на новые пути, некоторые из которых направлены на Землю. Таким образом, астрономы видят несколько изображений взрывающейся звезды, каждое из которых соответствует одному из этих измененных световых путей. Каждое изображение проходит через скопление по разному маршруту и приходит в разное время, отчасти из-за различий в длине путей, по которым свет следует, чтобы достичь Земли. Точное измерение этой разницы во времени прибытия между несколькими изображениями приводит к комбинации расстояний, которые ограничивают постоянную Хаббла. На нижнем графике перенаправленный свет проходит через гигантскую эллиптическую галактику внутри скопления. Эта галактика добавляет еще один уровень линзирования, снова перенаправляя несколько световых путей, которые в противном случае не прошли бы мимо нас, и фокусируя их так, чтобы они действительно достигли Земли. Авторы: Иллюстрация: НАСА, ЕКА, Энн Фейлд (STScI), Джозеф ДеПаскуале (STScI), Наука: НАСА, ЕКА, Стив А. Родни (JHU), Томмазо Треу (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе), Патрик Келли (Калифорнийский университет в Беркли), Дженнифер Лотц ( STScI), Марк Постман (STScI), Золт Г. Левай (STScI), команда FrontierSN, команда GLASS, команда HFF (STScI), команда CLASH
«Вместо того, чтобы собирать несколько изображений деревьев, этот новый телескоп позволит нам увидеть весь лес на одном снимке», — объяснил Пирель.
В частности, исследование во временной области в высоких широтах будет неоднократно наблюдать одну и ту же область неба, что позволит астрономам изучать цели, которые меняются со временем. Это означает, что нам придется проанализировать огромное количество данных — более 5 миллиардов пикселей каждый раз — чтобы найти эти очень редкие события.
«Поскольку они редки, использование всего потенциала гравитационно-линзированных сверхновых зависит от высокого уровня подготовки», — сказал Пирель. «Мы хотим заранее подготовить все инструменты для поиска этих сверхновых, чтобы не тратить время на просеивание терабайтов данных, когда они поступят».
Проект будет осуществляться командой исследователей из различных центров НАСА и университетов по всей стране.
Подготовка будет происходить в несколько этапов. Команда создаст конвейеры обработки данных, предназначенные для автоматического обнаружения гравитационно-линзированных сверхновых на римских изображениях. Чтобы обучить эти конвейеры, исследователи также создадут моделируемую визуализацию: необходимо 50 000 моделируемых линз, а реальных линз на данный момент известно только 10 000.
Конвейеры обработки данных, созданные Стролгером и командой Пирела, дополнят конвейеры, создаваемые для изучения темной энергии со сверхновыми типа Ia.
«Роман — это действительно первая возможность создать золотой стандарт гравитационно-линзированных сверхновых», — заключил Стролгер. «Все наши приготовления теперь будут производить все компоненты, необходимые для того, чтобы мы могли эффективно использовать огромный потенциал космологии».
Информация от: Научным институтом космического телескопа.
