SN Winny: Soczewkowanie grawitacyjne zwielokrotnia obraz supernowej

Tempo, w jakim rozszerza się nasz wszechświat, znane jako stała Hubble’a, pozostaje jednym z najistotniejszych sporów we współczesnej fizyce, tworząc rozbieżność, która rzuca wyzwanie standardowemu modelowi kosmologicznemu. Zespół badawczy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM), Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana (LMU) oraz Instytutów Maxa Plancka (MPA i MPE) zidentyfikował rzadkie zjawisko niebieskie, które może ostatecznie rozwiązać ten konflikt. W sierpniu 2025 roku astronomowie odkryli SN 2025wny, nazwaną SN Winny, superjasną supernową, której światło zostało rozszczepione na pięć oddzielnych obrazów przez soczewkę grawitacyjną. To unikalne ustawienie stanowi niezależne, jednoetapowe narzędzie do pomiaru odległości kosmicznych i obliczania tempa ekspansji z niespotykaną dotąd dokładnością.

Czym jest napięcie Hubble’a?

Napięcie Hubble’a odnosi się do znaczącej rozbieżności między dwiema głównymi metodami stosowanymi do obliczania tempa ekspansji wszechświata. Jedna metoda mierzy wszechświat „lokalny” za pomocą kosmicznej drabiny odległości, podczas gdy druga analizuje mikrofalowe promieniowanie tła (CMB) z wczesnego wszechświata. Mimo wysokiej precyzji obu podejść, wyniki nie są zgodne, co sugeruje, że nasze fundamentalne rozumienie fizyki lub ciemnej energii może być niepełne. Rozwiązanie tego napięcia jest kluczowe, ponieważ stała Hubble’a determinuje wiek, rozmiar i ostateczny los kosmosu.

Tradycyjne pomiary często opierają się na złożonych etapach kalibracji. Metoda lokalna wykorzystuje „świece standardowe”, takie jak określone typy gwiazd lub supernowe, do szacowania odległości. Ponieważ jednak każdy szczebel kosmicznej drabiny odległości zależy od dokładności poprzedniego, małe błędy systematyczne mogą się kumulować. Z kolei metoda CMB opiera się na modelach ewolucji wszechświata na przestrzeni miliardów lat. Jeśli modele te zawierają choćby niewielkie niedokładności dotyczące zachowania ciemnej energii lub materii, obliczone tempo ekspansji będzie zniekształcone. SN Winny oferuje sposób na obejście tych problemów poprzez bezpośredni pomiar geometryczny.

W jaki sposób soczewkowanie grawitacyjne tworzy wielokrotne obrazy supernowej?

Soczewkowanie grawitacyjne tworzy wielokrotne obrazy supernowej, gdy masywna galaktyka z pierwszego planu lub gromada galaktyk zagina i powiększa światło supernowej wzdłuż oddzielnych ścieżek. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina grawitacja zakrzywia strukturę czasoprzestrzeni; gdy światło z SN Winny przemierzało 10 miliardów lat świetlnych w kierunku Ziemi, napotkało dwie galaktyki na pierwszym planie. To potężne ustawienie zadziałało jak naturalna kosmiczna lupa, rozszczepiając światło na pięć odrębnych ścieżek o różnej długości, w wyniku czego na nocnym niebie pojawiło się pięć błękitnych kopii tej samej eksplodującej gwiazdy.

Geometria tego konkretnego układu soczewkującego jest wyjątkowo przejrzysta, co stanowi odejście od poprzednich odkryć. „Do tej pory większość soczewkowanych supernowych była powiększana przez masywne gromady galaktyk, których rozkłady masy są złożone i trudne do wymodelowania” – wyjaśnia Allan Schweinfurth, badacz z TUM. Ponieważ SN Winny jest soczewkowana przez zaledwie dwie pojedyncze galaktyki o gładkim rozkładzie masy, zespół może modelować ten układ z wysoką precyzją. Ta prostota zmniejsza niepewność co do stopnia ugięcia światła, zapewniając wyraźniejszą „mapę” podróży, jaką światło przebyło, aby dotrzeć do Large Binocular Telescope w Arizonie.

Dlaczego odkrycie SN 2025wny (SN Winny) jest tak rzadkie?

SN 2025wny jest wyjątkowo rzadka, ponieważ jest to superjasna supernowa idealnie ustawiona w linii z soczewką grawitacyjną przy wysokim przesunięciu ku czerwieni z = 2. Matematyczne prawdopodobieństwo ustawienia supernowej tak precyzyjnie za soczewką na pierwszym planie, aby wytworzyć pięć oddzielnych obrazów, jest mniejsze niż jeden na milion. Odkrycie to było wynikiem ukierunkowanych sześcioletnich poszukiwań prowadzonych przez Grupę Badawczą SN Winny, która skompilowała listę obiecujących soczewek grawitacyjnych, zanim w sierpniu 2025 roku zdarzenie to w końcu nastąpiło.

Rzadkość tego zjawiska potęguje dodatkowo natura samej gwiazdy. SN Winny to superjasna supernowa, co oznacza, że jest znacznie jaśniejsza niż typowe eksplozje gwiezdne. Ta ekstremalna jasność pozwoliła teleskopowi Large Binocular Telescope na Mount Graham na uchwycenie kolorowych obrazów układu w wysokiej rozdzielczości, mimo że znajduje się on 10 miliardów lat świetlnych stąd. Sherry Suyu, profesor nadzwyczajna kosmologii obserwacyjnej na TUM i pracownik naukowy w Instytucie Astrofizyki Maxa Plancka, zauważyła, że to wydarzenie jest kluczowym kamieniem milowym dla kosmologii obserwacyjnej, ponieważ podjęto dotąd zaledwie kilka takich pomiarów soczewkowania.

Jak opóźnienia czasowe w soczewkowanych supernowych pozwalają mierzyć tempo ekspansji wszechświata?

Opóźnienia czasowe w soczewkowanych supernowych mierzą tempo ekspansji wszechświata, ponieważ każdy z pięciu obrazów przemierza ścieżkę o innej długości, aby dotrzeć do Ziemi. Chociaż supernowa jest pojedynczym wydarzeniem, obrazy nie pojawiają się jednocześnie; zamiast tego „rozbłyskują” w różnym czasie. Mierząc konkretne opóźnienie czasowe między tymi pojawieniami się i łącząc te dane ze znaną masą galaktyk soczewkujących, astronomowie mogą bezpośrednio obliczyć stałą Hubble’a bez potrzeby korzystania z wieloetapowej kosmicznej drabiny odległości.

To „jednoetapowe” podejście jest propagowane przez Stefana Taubenbergera, głównego autora badania identyfikacyjnego opublikowanego w Astronomy & Astrophysics. Ponieważ metoda ta opiera się na innej fizyce i mniejszej liczbie założeń niż poprzednie techniki, służy jako kluczowy rozjemca w kwestii napięcia Hubble’a. Leon Ecker i Allan Schweinfurth zbudowali pierwsze modele rozkładu masy dla soczewki, potwierdzając, że galaktyki jeszcze się nie zderzyły, co zachowuje regularność ścieżek światła. Ta regularność pozwala na wysoką dokładność obliczeń tego, jak szybko rozciąga się przestrzeń między galaktykami.

Jakie znaczenie mają obserwacje z Large Binocular Telescope?

Teleskop Large Binocular Telescope (LBT) w Arizonie odegrał kluczową rolę w tym odkryciu, dostarczając pierwszych kolorowych obrazów układu SN Winny w wysokiej rozdzielczości. Wykorzystując dwa lustra o średnicy 8,4 metra i zaawansowany system optyki adaptacyjnej, teleskop skorygował rozmycie atmosferyczne, aby ukazać dwie galaktyki na pierwszym planie o ciepłych barwach oraz pięć błękitnych kopii supernowej. Obserwacje te są niezbędne do określenia dokładnych pozycji obrazów, które służą do obliczenia potencjału grawitacyjnego soczewki.

• Instrument: Large Binocular Telescope, Mount Graham, Arizona.
• Technologia: Podwójne lustra o średnicy 8,4 metra z optyką adaptacyjną.
• Wyniki: Pięć odrębnych obrazów pojedynczej supernowej przy przesunięciu ku czerwieni z = 2.
• Instytucje: Współpraca z udziałem naukowców z MPE, LMU i TUM.

Implikacje dla przyszłości kosmologii

Dane z SN Winny mogą potencjalnie potwierdzić odchylenie od Standardowego Modelu Kosmologicznego. Jeśli tempo ekspansji obliczone na podstawie tej soczewkowanej supernowej będzie zgodne z pomiarami lokalnymi, a nie z danymi z wczesnego wszechświata, może to oznaczać, że ciemna energia ewoluuje w czasie lub że do wyjaśnienia wzrostu wszechświata potrzebna jest nowa fizyka. Wymusiłoby to ogromną zmianę w sposobie, w jaki naukowcy postrzegają „kosmiczny przepis” na materię i energię, który rządzi naszym wszechświatem.

Co więcej, sukces projektu badawczego HOLISMOKES (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals) przygotowuje grunt pod przyszłe obserwatoria. Oczekuje się, że Obserwatorium Very C. Rubin oraz Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkryją w nadchodzącej dekadzie setki soczewkowanych supernowych. SN Winny służy jako złoty standard w zakresie modelowania i analizowania przyszłych odkryć w celu rozwiązania zagadki stałej Hubble’a.

Co dalej z SN Winny i badaniami kosmologicznymi?

Astronomowie na całym świecie prowadzą obecnie uzupełniające obserwacje SN Winny przy użyciu zasobów naziemnych i kosmicznych. Bezpośrednim celem jest doprecyzowanie pomiarów opóźnienia czasowego w miarę wygasania supernowej, co zapewni najwyższą możliwą precyzję obliczeń stałej Hubble’a. Wyniki te, wspierane przez Klaster Doskonałości ORIGINS oraz Towarzystwo Maxa Plancka, prawdopodobnie będą kamieniem węgielnym debat kosmologicznych przez nadchodzące lata.

Podczas gdy społeczność naukowa oczekuje na sfinalizowane dane dotyczące ekspansji, odkrycie SN Winny dowodzi, że „kosmiczne fajerwerki” to coś więcej niż tylko widowisko wizualne; to precyzyjne narzędzia matematyczne. Zamieniając podróż trwającą 10 miliardów lat świetlnych w geometryczną linijkę, naukowcy są bliżej niż kiedykolwiek zrozumienia fundamentalnego ograniczenia prędkości naszego rozszerzającego się wszechświata. Przejście od sześcioletnich poszukiwań do przełomowego pomiaru podkreśla siłę międzynarodowej współpracy w kosmologii obserwacyjnej.