Sjælden supernova -opdagelse indleder en ny æra for kosmologi

Ved hjælp af en automatiseret supernovajagtrørledning og en galakse, der sidder 2 milliarder lysår væk fra Jorden, der fungerer som et "forstørrelsesglas, '' astronomer har taget flere billeder af en Type Ia -supernova - en strålende eksplosion af en stjerne - der vises på fire forskellige steder på himlen. Indtil videre er dette den eneste type Ia opdaget, der har udvist denne effekt.

Dette fænomen kaldet 'gravitationslinse' er en effekt af Einsteins relativitetsteori - masse bøjer lys. Det betyder, at tyngdefeltet for et massivt objekt - som en galakse - kan bøje lysstråler, der passerer i nærheden og genfokusere dem et andet sted, får baggrundsobjekter til at fremstå lysere og nogle gange flere steder. Astrofysikere mener, at hvis de kan finde flere af disse forstørrede Type Ia'er, de kan muligvis måle hastigheden af ​​universets ekspansion til en hidtil uset nøjagtighed og kaste lidt lys over fordelingen af ​​stof i kosmos.

Heldigvis, ved at se nærmere på egenskaberne ved denne sjældne begivenhed, to Lawrence-forskere i Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fundet frem til en metode-en pipeline-til at identificere flere af disse såkaldte "stærkt linsede Type Ia-supernovaer" i eksisterende og fremtidige videnskabelige undersøgelser. Et papir, der beskriver deres tilgang, blev for nylig offentliggjort i Astrofysiske journalbreve . I mellemtiden, et papir, der beskriver opdagelsen og observationer af den 4 milliarder år gamle Type Ia -supernova, iPTF16geu, blev offentliggjort i Videnskab den 21. april.

"Det er ekstremt svært at finde en gravitationslinseret supernova, endsige en linsetype Ia. Statistisk set vi formoder, at der kan være cirka en af ​​disse ud af hver 50, 000 supernovaer, som vi identificerer, "siger Peter Nugent, en astrofysiker i Berkeley Labs Computational Research Division (CRD) og en forfatter på begge pa-pers. "Men siden opdagelsen af ​​iPTF16geu, vi har nu nogle tanker om, hvordan vi kan forbedre vores pipeline for at identificere flere af disse begivenheder. "

Kosmisk overraskelse kaster nyt lys over kosmologi

I mange år, supernovaernes forbigående natur gjorde dem ekstremt vanskelige at opdage. For tredive år siden, opdagelsesraten var cirka to om måneden. Men takket være Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), en ny undersøgelse med en innovativ pipeline, disse begivenheder opdages dagligt, nogle inden for få timer efter, at deres første eksplosioner dukker op.

Processen med at identificere forbigående begivenheder, som supernovaer, begynder hver nat på Palomar -observatoriet i det sydlige Californien, hvor et bredfeltskamera monteret på det robotiske Samuel Oschin-teleskop scanner himlen. Så snart observationer er taget, dataene rejser mere end 400 miles til Department of Energy's (DOE's) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som er placeret på Berkeley Lab. Hos NERSC, maskinlæringsalgoritmer, der kører på facilitetens supercomputere, gennemsyrer dataene i realtid og identificerer transienter, som forskere kan følge op på.

Den 5. september, 2016, pipelinen identificerede iPTF16geu som en supernova -kandidat. Ved første øjekast, begivenheden så ikke særlig ud over det sædvanlige. Nugent bemærker, at mange astronomer troede, at det bare var en typisk Type Ia -supernova, der sad omkring 1 milliard lysår væk fra Jorden.

Ligesom de fleste supernovaer, der opdages relativt tidligt, denne begivenhed blev lysere med tiden. Kort tid efter at den nåede maksimal lysstyrke (19. størrelsesorden) besluttede Stockholms universitetsprofessor i eksperimentel partikelastrofysik Ariel Goobar at tage et spektrum-eller detaljeret lysundersøgelse-af objektet. Resultaterne bekræftede, at objektet faktisk var en Type Ia -supernova, men de viste også, at overraskende, den lå 4 milliarder lysår væk. Et andet spektrum taget med OSIRIS-in-strumentet på Keck-teleskopet på Mauna Kea, Hawaii, viste uden tvivl, at supernovaen var 4 milliarder lysår væk, og afslørede også dens værtsgalakse og en anden galakse placeret omkring 2 milliarder lysår væk, der fungerede som en gravita-tional linse, som forstærkede supernovas lysstyrke og fik den til at dukke op fire forskellige steder på himlen.

"Jeg har ledt efter en objektiv supernova i cirka 15 år. Jeg kiggede i alle mulige undersøgelser, Jeg har prøvet en række forskellige teknikker til at gøre dette og gav i det væsentlige op, så dette resultat kom som en kæmpe overraskelse, "siger Goobar, der er hovedforfatter til Videnskab papir. "En af grundene til, at jeg er interesseret i at studere gravitationslinser, er, at det giver dig mulighed for at måle strukturen af ​​stof - både synligt og mørkt stof - på skalaer, der er meget svære at få."

Ifølge Goobar, undersøgelsen på Palomar blev oprettet for at se på objekter i det nærliggende univers, omkring 1 milliard lysår væk. Men at finde en fjern Type Ia su-pernova i denne undersøgelse gjorde det muligt for forskere at følge op med endnu mere kraftfulde teleskoper, der løste småskala strukturer i supernova-værtsgalaksen, samt linsegalaksen, der forstørrer den.

"Der er milliarder af galakser i det observerbare univers, og det kræver en enorm indsats at kigge i et meget lille stykke af himlen for at finde den slags begivenheder. Det ville være umuligt at finde en begivenhed som denne uden en forstørret supernova, der leder dig hen, hvor at se, "siger Goobar." Vi var meget heldige med denne opdagelse, fordi vi kan se de små strukturer i disse galakser, men vi ved ikke, hvor heldige vi er, før vi finder flere af disse begivenheder og bekræfter, at det, vi ser, ikke er en anomali. "

En anden fordel ved at finde flere af disse begivenheder er, at de kan bruges som værktøjer til præcist at måle universets ekspansionshastighed. En af nøglerne til dette er gravitationel linse. Når en stærk gravitationslinse producerer flere billeder af et baggrundsobjekt, hvert billeds lys bevæger sig en lidt anden vej rundt om linsen på vej til Jorden. Stierne har forskellige længder, så lys fra hvert billede tager forskellig tid at nå frem til Jorden.

"Hvis du måler ankomsttiden for de forskellige billeder, det viser sig at være en god måde at måle universets ekspansionshastighed på, "siger Goobar." Når folk måler universets ekspansionshastighed nu lokalt ved hjælp af supernovaer eller Cepheid-stjerner, får de et andet tal end dem, der ser på tidlige universobservationer og den kosmiske mikrobølgebaggrund. Der er spændinger derude, og det ville være pænt, hvis vi kunne bidrage til at løse den opgave. "

Nye metoder snuser ud af lensede supernovaer

Ifølge Danny Goldstein, en kandidatstuderende ved astronomi ved UC Berkeley og forfatter til Astrophysical Journal -brevet, der har kun været et par gravitationslinsede supernovaer af enhver art, der nogensinde er opdaget, herunder iPTF16geu, og de er alle blevet opdaget ved en tilfældighed.

"Ved at finde ud af, hvordan man systematisk finder stærkt linsede Type Ia -supernovaer som iPTF16geu, vi håber at bane vejen for storskalede supernova-søgninger i linser, som vil frigøre potentialet i disse objekter som værktøjer til præcisionskosmologi, "siger Goldstein, der arbejdede sammen med Nugent for at udtænke en metode til at finde dem i eksisterende og kommende bredfeltundersøgelser.

Nøgleidéen med deres teknik er at bruge det faktum, at Type Ia-supernovaer er "stan-dard stearinlys"-objekter med samme iboende lysstyrke-til at identificere dem, der forstørres ved linse. De foreslår at starte med supernovaer, der ser ud til at gå i røde galakser, der er holdt op med at danne stjerner. Disse galakser er kun vært for type Ia su-pernovaer og udgør størstedelen af ​​gravitationslinser. Hvis en supernovakandidat, der ser ud til at være vært i en sådan galakse, er lysere end "standard" lysstyrken for en Type Ia -supernova, Goldstein og Nugent argumenterer for, at der er en stor chance for, at su-pernovaen ikke rent faktisk bor i galaksen, men er i stedet en baggrunds-super-nova linse af den tilsyneladende vært.

"En af innovationerne ved denne metode er, at vi ikke behøver at opdage flere billeder for at udlede, at en supernova er linse, "siger Goldstein." Dette er en kæmpe fordel, der skulle sætte os i stand til at finde flere af disse begivenheder, end man tidligere havde troet muligt. "

Ved hjælp af denne metode, Nugent og Goldstein forudsiger, at det kommende Large Synoptic Survey Telescope skal være i stand til at opdage omkring 500 stærkt linsede Type Ia-supernovaer i løbet af 10 år-cirka 10 gange mere end tidligere estimater. I mellemtiden, Zwicky Transient Facility, som begynder at tage data i august 2017 på Palomar, skulle finde cirka 10 af disse begivenheder i en treårig søgning. Løbende undersøgelser viser, at hvert linset Type Ia-supernova-billede har potentiale til at lave fire procent, eller bedre, måling af universets ekspansionshastighed. Hvis realiseret, dette kunne tilføje et meget kraftfuldt værktøj til at undersøge og måle de kosmologiske parametre.

"Vi er lige nu ved at nå det punkt, hvor vores forbigående undersøgelser er store nok, vores rørledninger er effektive nok, og vores eksterne datasæt er rige nok til, at vi kan gennemgå dataene og komme til disse sjældne begivenheder, "tilføjer Goldstein." Det er en spændende tid at arbejde på dette område. "

iPTF er et videnskabeligt samarbejde mellem Caltech; Los Alamos nationale laboratorium; University of Wisconsin, Milwaukee; Oskar Klein Center i Sverige; Weizmann Institute of Science i Israel; TANGO-programmet fra University System i Taiwan; og Kavli-instituttet for fysik og matematik i Uni-verset i Japan. NERSC er et DOE Office of Science User Facility.