SN Winny: Gravitatielenswerking vermenigvuldigt supernova

De snelheid waarmee ons heelal uitdijt, bekend als de Hubble-constante, blijft een van de belangrijkste geschilpunten in de moderne natuurkunde. Dit veroorzaakt een discrepantie die het standaardmodel van de kosmologie uitdaagt. Een onderzoeksteam van de Technical University of Munich (TUM), de Ludwig Maximilians University (LMU) en de Max Planck Institutes (MPA en MPE) heeft een zeldzame hemelse gebeurtenis geïdentificeerd die dit conflict eindelijk zou kunnen oplossen. In augustus 2025 ontdekten astronomen SN 2025wny, bijgenaamd SN Winny, een superlichtsterke supernova waarvan het licht door een zwaartekrachtlens in vijf verschillende beelden is gesplitst. Deze unieke uitlijning biedt een onafhankelijk, eenstaps-instrument om kosmische afstanden te meten en de uitdijingssnelheid met ongekende nauwkeurigheid te berekenen.

Wat is de Hubble-spanning?

De Hubble-spanning verwijst naar het aanzienlijke meningsverschil tussen de twee belangrijkste methoden die worden gebruikt om de uitdijingssnelheid van het universum te berekenen. De ene methode meet het "lokale" universum met behulp van de kosmische afstandsladder, terwijl de andere de kosmische achtergrondstraling (CMB) uit het vroege heelal analyseert. Ondanks de hoge precisie van beide benaderingen komen de resultaten niet overeen, wat suggereert dat ons fundamentele begrip van de natuurkunde of donkere energie mogelijk onvolledig is. Het oplossen van deze spanning is cruciaal omdat de Hubble-constante de leeftijd, grootte en het uiteindelijke lot van de kosmos bepaalt.

Traditionele metingen zijn vaak afhankelijk van complexe kalibratiestappen. De lokale methode maakt gebruik van "standaardkaarsen", zoals specifieke typen sterren of supernovae, om afstanden te schatten. Omdat elke stap in de kosmische afstandsladder echter afhangt van de nauwkeurigheid van de vorige, kunnen kleine systematische fouten zich opstapelen. Omgekeerd vertrouwt de CMB-methode op modellen van hoe het universum gedurende miljarden jaren is geëvolueerd. Als deze modellen zelfs maar lichte onnauwkeurigheden bevatten met betrekking tot het gedrag van donkere energie of materie, zal de berekende uitdijingssnelheid vertekend zijn. SN Winny biedt een manier om deze problemen te omzeilen via een directe geometrische meting.

Hoe zorgt zwaartekrachtlenswerking voor meerdere beelden van een supernova?

Zwaartekrachtlenswerking creëert meerdere beelden van een supernova wanneer een massief voorgrondstelsel of een cluster van sterrenstelsels het licht van de supernova buigt en vergroot langs afzonderlijke banen. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie vervormt zwaartekracht het weefsel van de ruimte-tijd; terwijl het licht van SN Winny 10 miljard lichtjaar naar de aarde reisde, kwam het twee voorgrondstelsels tegen. Deze massieve uitlijning fungeerde als een natuurlijk kosmisch vergrootglas, waardoor het licht werd gesplitst in vijf verschillende paden van verschillende lengtes, wat resulteerde in vijf blauwachtige kopieën van dezelfde exploderende ster die aan de nachthemel verschenen.

De geometrie van dit specifieke lenssysteem is uitzonderlijk schoon, wat een afwijking is van eerdere ontdekkingen. "Tot nu toe werden de meeste gelensde supernovae vergroot door massieve clusters van sterrenstelsels, waarvan de massaverdelingen complex en moeilijk te modelleren zijn", legt Allan Schweinfurth uit, een onderzoeker bij TUM. Omdat SN Winny door slechts twee individuele sterrenstelsels met gladde massaverdelingen wordt gelensd, kan het team het systeem met hoge precisie modelleren. Deze eenvoud vermindert de onzekerheid over de mate waarin het licht werd gebogen, wat een duidelijkere "kaart" oplevert van de reis die het licht aflegde om de Large Binocular Telescope in Arizona te bereiken.

Waarom is de ontdekking van SN 2025wny (SN Winny) zo zeldzaam?

SN 2025wny is uitzonderlijk zeldzaam omdat het een superlichtsterke supernova is die perfect is uitgelijnd met een zwaartekrachtlens bij een hoge roodverschuiving van z = 2. De wiskundige waarschijnlijkheid dat een supernova zo precies achter een voorgrondlens is gepositioneerd dat er vijf afzonderlijke beelden ontstaan, is kleiner dan één op een miljoen. Deze ontdekking was het resultaat van een gerichte zoektocht van zes jaar door de SN Winny Research Group, die een lijst van veelbelovende zwaartekrachtlenzen samenstelde voordat de gebeurtenis in augustus 2025 eindelijk overeenkwam.

De zeldzaamheid wordt verder versterkt door de aard van de ster zelf. SN Winny is een superlichtsterke supernova, wat betekent dat hij veel helderder is dan typische sterexplosies. Dankzij deze extreme helderheid kon de Large Binocular Telescope op Mount Graham kleurenbeelden met een hoge resolutie van het systeem vastleggen, ook al bevindt het zich op 10 miljard lichtjaar afstand. Sherry Suyu, universitair hoofddocent observationele kosmologie aan de TUM en Fellow bij het Max Planck Institute for Astrophysics, merkte op dat de gebeurtenis een belangrijke mijlpaal is voor de observationele kosmologie, aangezien er slechts een handvol van dergelijke gelensde metingen ooit zijn geprobeerd.

Hoe kunnen tijdsvertragingen in gelensde supernovae de uitdijingssnelheid van het heelal meten?

Tijdsvertragingen in gelensde supernovae meten de uitdijingssnelheid van het heelal omdat elk van de vijf beelden een pad van een andere lengte aflegt om de aarde te bereiken. Hoewel de supernova een enkele gebeurtenis is, verschijnen de beelden niet tegelijkertijd; in plaats daarvan "flikkeren" ze op verschillende tijdstippen aan. Door de specifieke tijdsvertraging tussen deze verschijningen te meten en die gegevens te combineren met de bekende massa van de lensstelsels, kunnen astronomen de Hubble-constante direct berekenen zonder de meerstaps kosmische afstandsladder nodig te hebben.

Deze "eenstaps-benadering" wordt bepleit door Stefan Taubenberger, de hoofdauteur van de identificatiestudie die is gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics. Omdat de methode steunt op andere natuurkunde en minder aannames dan eerdere technieken, dient het als een cruciale beslisser voor de Hubble-spanning. Leon Ecker en Allan Schweinfurth bouwden de eerste massaverdelingsmodellen voor de lens, waarmee ze bevestigden dat de sterrenstelsels nog niet zijn gebotst, wat de regelmaat van de lichtpaden behoudt. Deze regelmaat is wat de uiterst nauwkeurige berekening mogelijk maakt van hoe snel de ruimte tussen de stelsels wordt opgerekt.

Wat is de betekenis van de waarnemingen van de Large Binocular Telescope?

De Large Binocular Telescope (LBT) in Arizona speelde een cruciale rol in deze ontdekking door de eerste kleurenbeelden met hoge resolutie van het SN Winny-systeem te leveren. Met behulp van twee spiegels met een diameter van 8,4 meter en een geavanceerd systeem voor adaptieve optiek, corrigeerde de telescoop voor atmosferische verstoringen om de twee warmgetinte voorgrondstelsels en de vijf blauwachtige kopieën van de supernova te onthullen. Deze waarnemingen zijn essentieel voor het bepalen van de exacte posities van de beelden, die worden gebruikt om de zwaartekrachtpotentiaal van de lens te berekenen.

• Instrument: Large Binocular Telescope, Mount Graham, Arizona.
• Technologie: Dubbele spiegels van 8,4 meter met adaptieve optiek.
• Bevindingen: Vijf verschillende beelden van een enkele supernova bij roodverschuiving z = 2.
• Instituten: Samenwerking tussen onderzoekers van MPE, LMU en TUM.

Gevolgen voor de toekomst van de kosmologie

De gegevens van SN Winny zouden potentieel een afwijking van het standaardmodel van de kosmologie kunnen bevestigen. Als de uitdijingssnelheid berekend op basis van deze gelensde supernova overeenkomt met lokale metingen in plaats van de gegevens van het vroege heelal, kan dit erop wijzen dat donkere energie in de loop van de tijd evolueert of dat er nieuwe natuurkunde nodig is om de groei van het heelal te verklaren. Dit zou een enorme verschuiving teweegbrengen in de manier waarop wetenschappers kijken naar het "kosmische recept" van materie en energie dat ons heelal regeert.

Bovendien legt het succes van het HOLISMOKES-onderzoeksproject (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals) de basis voor toekomstige observatoria. De verwachting is dat het Vera C. Rubin Observatory en de James Webb Space Telescope (JWST) in de komende tien jaar honderden gelensde supernovae zullen vinden. SN Winny dient als de gouden standaard voor hoe deze toekomstige ontdekkingen gemodelleerd en geanalyseerd zullen worden om het mysterie van de Hubble-constante op te lossen.

Wat volgt er voor SN Winny en kosmologisch onderzoek?

Astronomen wereldwijd voeren momenteel vervolgwaarnemingen uit van SN Winny met behulp van zowel op de grond als in de ruimte gestationeerde instrumenten. Het onmiddellijke doel is om de tijdsvertragingsmetingen te verfijnen terwijl de supernova vervaagt, om zo de hoogst mogelijke precisie voor de berekening van de Hubble-constante te garanderen. Deze resultaten, ondersteund door het Excellence Cluster ORIGINS en de Max-Planck-Gesellschaft, zullen waarschijnlijk nog jarenlang een hoeksteen vormen van het kosmologische debat.

Terwijl de wetenschappelijke gemeenschap wacht op de definitieve uitdijingscijfers, bewijst de ontdekking van SN Winny dat "kosmisch vuurwerk" meer is dan alleen een visueel spektakel; het zijn nauwkeurige wiskundige instrumenten. Door een reis van 10 miljard lichtjaar te veranderen in een geometrische liniaal, zijn onderzoekers dichter dan ooit bij het begrijpen van de fundamentele snelheidslimiet van ons uitdijende universum. De overgang van een zoektocht van zes jaar naar een baanbrekende meting onderstreept de kracht van internationale samenwerking in de observationele kosmologie.