SN Winny: Gravitationslinsning skapar multipla bilder av supernova

Hastigheten med vilken vårt universum expanderar, känd som Hubbles konstant, förblir en av de mest betydande tvisterna inom modern fysik och skapar en diskrepans som utmanar kosmologins standardmodell. Ett forskarlag vid Technical University of Munich (TUM), Ludwig Maximilians University (LMU) och Max Planck-instituten (MPA och MPE) har identifierat en sällsynt himmelsk händelse som slutligen kan lösa denna konflikt. I augusti 2025 upptäckte astronomer SN 2025wny, med smeknamnet SN Winny, en superljusstark supernova vars ljus har delats upp i fem distinkta bilder av en gravitationslins. Denna unika inriktning utgör ett oberoende enstegsverktyg för att mäta kosmiska avstånd och beräkna expansionstakten med oöverträffad noggrannhet.

Vad är Hubble-tensionen?

Hubble-tensionen avser den betydande oenigheten mellan två primära metoder som används för att beräkna universums expansionstakt. Den ena metoden mäter det "lokala" universum med hjälp av den kosmiska avståndsstegen, medan den andra analyserar den kosmiska bakgrundsstrålningen (CMB) från det tidiga universum. Trots hög precision i båda tillvägagångssätten stämmer resultaten inte överens, vilket tyder på att vår fundamentala förståelse av fysik eller mörk energi kan vara ofullständig. Att lösa denna spänning är avgörande eftersom Hubbles konstant dikterar kosmos ålder, storlek och slutliga öde.

Traditionella mätningar förlitar sig ofta på komplexa kalibreringssteg. Den lokala metoden använder "standardljus", såsom specifika typer av stjärnor eller supernovor, för att uppskatta avstånd. Men eftersom varje steg i den kosmiska avståndsstegen beror på noggrannheten i det föregående, kan små systematiska fel ackumuleras. Omvänt förlitar sig CMB-metoden på modeller för hur universum utvecklades under miljarder år. Om dessa modeller innehåller ens små felaktigheter gällande beteendet hos mörk energi eller materia, kommer den beräknade expansionstakten att bli snedvriden. SN Winny erbjuder ett sätt att kringgå dessa problem genom en direkt geometrisk mätning.

Hur skapar gravitationslinser flera bilder av en supernova?

Gravitationslinser skapar flera bilder av en supernova när en massiv förgrundsgalax eller en galaxhop böjer och förstorar supernovans ljus längs separata banor. Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori kröker gravitationen rumtidens väv; när ljuset från SN Winny färdades 10 miljarder ljusår mot jorden, mötte det två förgrundsgalaxer. Denna massiva inriktning fungerade som ett naturligt kosmiskt förstoringsglas som delade upp ljuset i fem distinkta banor av varierande längd, vilket resulterade i att fem blåaktiga kopior av samma exploderande stjärna dök upp på natthimlen.

Geometrin i detta specifika linssystem är exceptionellt ren, vilket är en avvikelse från tidigare upptäckter. "Hittills har de flesta linsade supernovor förstorats av massiva galaxhoper, vars massfördelningar är komplexa och svåra att modellera", förklarar Allan Schweinfurth, forskare vid TUM. Eftersom SN Winny linsas av bara två enskilda galaxer med jämna massfördelningar, kan teamet modellera systemet med hög precision. Denna enkelhet minskar osäkerheten i hur mycket ljuset böjdes, vilket ger en tydligare "karta" över den resa ljuset tog för att nå Large Binocular Telescope i Arizona.

Varför är upptäckten av SN 2025wny (SN Winny) så sällsynt?

SN 2025wny är exceptionellt sällsynt eftersom det är en superljusstark supernova perfekt inriktad med en gravitationslins vid en hög rödförskjutning på z = 2. Den matematiska sannolikheten för att en supernova ska placeras så exakt bakom en förgrundslins för att producera fem separata bilder är lägre än en på miljonen. Denna upptäckt var resultatet av ett målinriktat sexårigt sökande av SN Winny Research Group, som sammanställde en lista över lovande gravitationslinser innan händelsen slutligen matchade i augusti 2025.

Sällsyntheten förstärks ytterligare av själva stjärnans natur. SN Winny är en superljusstark supernova, vilket innebär att den är betydligt ljusare än typiska stjärnexplosioner. Denna extrema ljusstyrka gjorde det möjligt för Large Binocular Telescope på Mount Graham att fånga högupplösta färgbilder av systemet, trots att det befinner sig 10 miljarder ljusår bort. Sherry Suyu, biträdande professor i observationskosmologi vid TUM och Fellow vid Max Planck Institute for Astrophysics, noterade att händelsen är en viktig milstolpe för observationskosmologi, då endast ett fåtal sådana linsade mätningar någonsin har försökts.

Hur kan tidsfördröjningar i linsade supernovor mäta universums expansionstakt?

Tidsfördröjningar i linsade supernovor mäter universums expansionstakt eftersom var och en av de fem bilderna färdas en bana av olika längd för att nå jorden. Även om supernovan är en enskild händelse, dyker bilderna inte upp samtidigt; istället "flimrar" de till vid olika tidpunkter. Genom att mäta den specifika tidsfördröjningen mellan dessa framträdanden och kombinera dessa data med den kända massan hos linsgalaxerna, kan astronomer direkt beräkna Hubbles konstant utan att behöva den kosmiska avståndsstegen i flera steg.

Detta "enstegssätt" förespråkas av Stefan Taubenberger, huvudförfattare till identifikationsstudien publicerad i Astronomy & Astrophysics. Eftersom metoden förlitar sig på annan fysik och färre antaganden än tidigare tekniker, fungerar den som en avgörande skiljedomare för Hubble-tensionen. Leon Ecker och Allan Schweinfurth byggde de första modellerna för massfördelning för linsen, vilket bekräftade att galaxerna ännu inte har kolliderat, vilket bevarar ljusbanornas regelbundenhet. Denna regelbundenhet är vad som möjliggör den högprecisa beräkningen av hur snabbt rymden mellan galaxerna sträcks ut.

Vilken betydelse har observationerna från Large Binocular Telescope?

Large Binocular Telescope (LBT) i Arizona spelade en avgörande roll i denna upptäckt genom att tillhandahålla de första högupplösta färgbilderna av SN Winny-systemet. Med hjälp av två speglar med en diameter på 8,4 meter och ett avancerat system för adaptiv optik, korrigerade teleskopet för atmosfärisk oskärpa för att avslöja de två varmtonade förgrundsgalaxerna och de fem blåaktiga kopiorna av supernovan. Dessa observationer är nödvändiga för att bestämma bildernas exakta positioner, vilka används för att beräkna linsens gravitationella potential.

• Instrument: Large Binocular Telescope, Mount Graham, Arizona.
• Teknik: Dubbla 8,4-metersspeglar med adaptiv optik.
• Resultat: Fem distinkta bilder av en enskild supernova vid rödförskjutning z = 2.
• Institutioner: Samarbete involverande forskare från MPE, LMU och TUM.

Implikationer för kosmologins framtid

Data från SN Winny skulle potentiellt kunna bekräfta en avvikelse från kosmologins standardmodell. Om expansionstakten beräknad från denna linsade supernova stämmer överens med lokala mätningar snarare än data från det tidiga universum, kan det tyda på att mörk energi utvecklas över tid eller att ny fysik krävs för att förklara universums tillväxt. Detta skulle tvinga fram ett massivt skifte i hur forskare ser på det "kosmiska receptet" av materia och energi som styr vårt universum.

Dessutom banar framgången för forskningsprojektet HOLISMOKES (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals) väg för framtida observatorier. Vera C. Rubin Observatory och James Webb Space Telescope (JWST) förväntas hitta hundratals linsade supernovor under det kommande decenniet. SN Winny fungerar som guldstandarden för hur dessa framtida upptäckter kommer att modelleras och analyseras för att lösa mysteriet med Hubbles konstant.

Vad väntar härnäst för SN Winny och den kosmologiska forskningen?

Astronomer över hela världen genomför för närvarande uppföljningsobservationer av SN Winny med hjälp av både markbaserade och rymdbaserade resurser. Det omedelbara målet är att förfina tidsfördröjningsmätningarna när supernovan bleknar, för att säkerställa högsta möjliga precision för beräkningen av Hubbles konstant. Dessa resultat, som stöds av Excellence Cluster ORIGINS och Max Planck Society, kommer sannolikt att vara en hörnsten i den kosmologiska debatten under många år framöver.

Medan det vetenskapliga samfundet väntar på de slutgiltiga expansionssiffrorna, bevisar upptäckten av SN Winny att "kosmiska fyrverkerier" är mer än bara ett visuellt skådespel; de är exakta matematiska verktyg. Genom att förvandla en 10 miljarder ljusår lång resa till en geometrisk linjal är forskare närmare än någonsin att förstå den fundamentala hastighetsgränsen för vårt expanderande universum. Övergången från ett sexårigt sökande till en banbrytande mätning belyser kraften i internationellt samarbete inom observationskosmologi.