Kan stærkt linsede type Ia supernovaer løse en af ​​kosmologiens største kontroverser?

I 1929 overraskede Edwin Hubble mange mennesker – inklusive Albert Einstein – da han viste, at universet udvider sig. En anden bombe kom i 1998, da to hold af astronomer beviste, at den kosmiske ekspansion faktisk accelererer på grund af en mystisk egenskab ved rummet kaldet mørk energi. Denne opdagelse gav det første bevis på, hvad der nu er den herskende model af universet:"Lambda-CDM, " som siger, at kosmos er cirka 70 procent mørk energi, 25 procent mørkt stof og 5 procent "normalt" stof (alt hvad vi nogensinde har observeret).

Indtil 2016, Lambda-CDM stemte smukt overens med årtiers kosmologiske data. Derefter brugte et forskerhold Hubble-rumteleskopet til at lave en ekstremt præcis måling af den lokale kosmiske ekspansionshastighed. Resultatet var endnu en overraskelse:forskerne fandt ud af, at universet udvidede sig lidt hurtigere end Lambda-CDM og Cosmic Microwave Background (CMB), relikviestråling fra Big Bang, forudsagt. Så det ser ud til, at der er noget galt – kunne denne uoverensstemmelse være en systematisk fejl, eller muligvis ny fysik?

Astrofysikere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Institute of Cosmology and Gravitation ved University of Portsmouth i Storbritannien mener, at stærkt linsede Type Ia supernovaer er nøglen til at besvare dette spørgsmål. Og i en ny Astrofysisk tidsskrift papir, de beskriver, hvordan man kontrollerer "mikrolensering, "en fysisk effekt, som mange forskere troede ville være en stor kilde til usikkerhed for disse nye kosmiske sonder. De viser også, hvordan man identificerer og studerer disse sjældne begivenheder i realtid.

"Lige siden CMB-resultatet kom frem og bekræftede det accelererende univers og eksistensen af ​​mørkt stof, kosmologer har forsøgt at foretage bedre og bedre målinger af de kosmologiske parametre, formindske fejlbjælkerne, " siger Peter Nugent, en astrofysiker i Berkeley Labs Computational Cosmology Center (C3) og medforfatter på papiret. "Fejlbjælkerne er nu så små, at vi burde være i stand til at sige 'det og det stemmer overens' Så resultaterne præsenteret i 2016 introducerede en stor spænding i kosmologi. Vores papir præsenterer en vej frem til at afgøre, om den nuværende uenighed er reel, eller om det er en fejl.

Bedre afstandsmarkører kaster lysere lys over den kosmiske historie

Jo længere væk et objekt er i rummet, jo længere tid tager det at nå Jorden. Så jo længere ud vi kigger, jo længere tilbage i tiden vi ser. I årtier, Type Ia supernovaer har været exceptionelle afstandsmarkører, fordi de er ekstraordinært lyse og ens i lysstyrke, uanset hvor de sidder i kosmos. Ved at se på disse genstande, videnskabsmænd opdagede, at mørk energi driver kosmisk ekspansion.

Men sidste år fandt et internationalt hold af forskere en endnu mere pålidelig afstandsmarkør – den første type Ia-supernova med kraftig linse nogensinde. Disse hændelser opstår, når gravitationsfeltet for et massivt objekt – som en galakse – bøjer sig og omfokuserer passerende lys fra en Type Ia-begivenhed bag sig. Denne "tyngdekraftslinsning" får supernovaens lys til at virke lysere og nogle gange flere steder, hvis lysstrålerne rejser forskellige veje rundt om det massive objekt.

Fordi forskellige ruter omkring det massive objekt er længere end andre, lys fra forskellige billeder af den samme type Ia-begivenhed vil ankomme på forskellige tidspunkter. Ved at spore tidsforsinkelse mellem de stærkt linsede billeder, astrofysikere mener, at de kan få en meget præcis måling af den kosmiske ekspansionshastighed.

"Stærkt linsede supernovaer er meget sjældnere end konventionelle supernovaer - de er én ud af 50, 000. Selvom denne måling først blev foreslået i 1960'erne, det er aldrig blevet lavet, fordi kun to stærkt linsede supernovaer er blevet opdaget til dato, ingen af ​​dem var modtagelige for tidsforsinkelsesmålinger, " siger Danny Goldstein, en UC Berkeley kandidatstuderende og hovedforfatter på det nye Astrofysisk tidsskrift papir.

Efter at have kørt en række beregningsintensive simuleringer af supernovalys på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet beliggende på Berkeley Lab, Goldstein og Nugent har mistanke om, at de vil være i stand til at finde omkring 1, 000 af disse stærkt linsede Type Ia supernovaer i data indsamlet af det kommende Large Synoptic Survey Telescope (LSST) - omkring 20 gange mere end tidligere forventninger. Disse resultater er grundlaget for deres nye papir i Astrofysisk tidsskrift .

"Med tre linsede kvasarer – kosmiske beacons, der udgår fra massive sorte huller i centrum af galakser – målte samarbejdspartnere og jeg udvidelseshastigheden til 3,8 procent præcision. Vi fik en værdi højere end CMB-målingen, men vi har brug for flere systemer for at være virkelig sikre på, at der er noget galt med standardmodellen for kosmologi, siger Thomas Collett, en astrofysiker ved University of Portsmouth og en medforfatter på det nye Astrofysisk tidsskrift papir. "Det kan tage år at få en tidsforsinkelsesmåling med kvasarer, men dette arbejde viser, at vi kan gøre det for supernovaer på måneder. Et tusinde supernovaer med linser vil lade os virkelig fastgøre kosmologien."

Ud over at identificere disse begivenheder, NERSC-simuleringerne hjalp dem også med at bevise, at stærkt linsede Type Ia-supernovaer kan være meget nøjagtige kosmologiske sonder.

"Når kosmologer forsøger at måle tidsforsinkelser, det problem, de ofte støder på, er, at individuelle stjerner i linsegalaksen kan forvrænge lyskurverne på de forskellige billeder af begivenheden, gør det sværere at matche dem, " siger Goldstein. "Denne effekt, kendt som 'mikrolensing, ' gør det sværere at måle nøjagtige tidsforsinkelser, som er afgørende for kosmologi."

Men efter at have kørt deres simuleringer, Goldstein og Nugent fandt ud af, at mikrolinsning ikke ændrede farverne på stærkt linsede Type Ia-supernovaer i deres tidlige faser. Så forskere kan trække de uønskede effekter af mikrolinsing fra ved at arbejde med farver i stedet for lyskurver. Når disse uønskede virkninger er trukket fra, videnskabsmænd vil nemt kunne matche lyskurverne og foretage nøjagtige kosmologiske målinger.

De kom til denne konklusion ved at modellere supernovaerne ved hjælp af SEDONA-koden, som blev udviklet med finansiering fra to DOE Scientific Discovery gennem Advanced Computing (SciDAC) institutter til at beregne lyskurver, spektre og polarisering af asfæriske supernovamodeller.

"I begyndelsen af ​​2000'erne finansierede DOE to SciDAC-projekter for at studere supernovaeksplosioner, vi tog dybest set output fra disse modeller og sendte dem gennem et linsesystem for at bevise, at effekterne er akromatiske, " siger Nugent.

"Simuleringerne giver os et blændende billede af en supernovas indre funktion, med et detaljeringsniveau, som vi ellers aldrig kunne vide, siger Daniel Kasen, en astrofysiker i Berkeley Labs Nuclear Science Division, og en medforfatter på papiret. "Fremskridt inden for højtydende databehandling giver os endelig mulighed for at forstå stjernernes eksplosive død, og denne undersøgelse viser, at sådanne modeller er nødvendige for at finde ud af nye måder at måle mørk energi på."

Tager Supernova Jagt til det yderste

Når LSST begynder fuld undersøgelsesoperation i 2023, den vil være i stand til at scanne hele himlen på kun tre nætter fra sin siddepinde på Cerro Pachón-ryggen i det nordlige centrale Chile. I løbet af sin 10-årige mission, LSST forventes at levere over 200 petabyte data. Som en del af LSST Dark Energy Science Collaboration, Nugent og Goldstein håber, at de kan køre nogle af disse data gennem en ny supernova-detektionspipeline, baseret på NERSC.

I mere end et årti, Nugents Real-Time Transient Detection-pipeline, der kører på NERSC, har brugt maskinlæringsalgoritmer til at gennemsøge observationer indsamlet af Palomar Transient Factor (PTF) og derefter Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) - hver nat søger efter "transiente" objekter, der ændrer sig i lysstyrke eller position ved at sammenligne de nye observationer med alle data indsamlet fra tidligere nætter. Inden for få minutter efter at en interessant begivenhed er opdaget, maskiner hos NERSC udløser derefter teleskoper rundt om på kloden for at indsamle opfølgende observationer. Faktisk, det var denne pipeline, der tidligere på året afslørede den første stærkt linsede Type Ia supernova nogensinde.

"Det, vi håber at gøre for LSST, svarer til, hvad vi gjorde for Palomar, men gange 100, " siger Nugent. "Der vil være en strøm af information hver nat fra LSST. Vi vil tage disse data og spørge, hvad vi ved om denne del af himlen, hvad er der sket der før, og er det noget, vi er interesserede i for kosmologi?"

Han tilføjer, at når forskerne har identificeret det første lys i en supernovabegivenhed med stærkt linser, beregningsmodellering kan også bruges til præcist at forudsige, hvornår det næste af lyset vil dukke op. Astronomer kan bruge denne information til at udløse jord- og rumbaserede teleskoper til at følge op og fange dette lys, i det væsentlige giver dem mulighed for at observere en supernova sekunder efter, at den er slukket.

"Jeg kom til Berkeley Lab for 21 år siden for at arbejde med supernova-strålingsoverførselsmodellering, og nu har vi for første gang brugt disse teoretiske modeller til at bevise, at vi kan gøre kosmologi bedre, " siger Nugent. "Det er spændende at se DOE høste fordelene af investeringer i beregningsmæssig kosmologi, som de begyndte at foretage for årtier siden."