Astronomer ser fire billeder af samme supernova ved kosmisk linseeffekt
Astronomer har for første gang set en eksploderende stjerne (supernova), hvor lyset ses i fire gengivelser på grund af et særligt kosmisk fænomen, som bevirker, at supernovaens lys på sin vej ud i rummet bliver afbøjet af tyngdekraften fra en massiv galakse, som befinder sig i en hob af galakser. Derved kan man se ikke bare én, men fire lysstråler fra den samme supernova. Opdagelsen er publiceret i det videnskabelige magasin, Science i et særnummer i anledning af 100-året for Einsteins almene relativitetsteori.
Det særlige fænomen, kaldet gravitationel linseeffekt virker som naturens eget gigantiske teleskop. Det er et astronomisk fænomen, der opstår, når to objekter står på lige linje i forhold til os på Jorden. Så vil lyset fra den fjerneste lyskilde, f.eks. en supernova blive afbøjet af tyngdekraften fra lyskilden foran, f.eks. en stor samling af galakser, der derved virker som et forstørrelsesglas og forstærker lyset fra den fjerne supernova.
Billedet fra Hubble Space Telescope viser lyset fra en supernova, som er splittet op i fire lys-gengivelser ved hjælp af en ’kosmisk linse’. Det er den første multipelt linsede supernova, man nogensinde har observeret, og supernovaen er opkaldt efter den norske astronom Sjur Refsdal, som teoretisk forudsagde dette fænomen for 50 år siden.
(Credit: NASA/ESA/GLASS)
Sjældent fænomen
”Vi ser lyset fra en fjern supernova, men det, vi ser her, er et mærkeligt og sjældent syn. Den enorme masse fra en stor samling af galakser, hvoraf en af galakserne er en stor ellipseformet galakse, har afbøjet lyset fra den bagvedliggende supernova, så lyset ses i fire gengivelser, der er formet som et kors omkring den ellipseformede galakse. Det kaldes et Einsteins Kors efter Albert Einstein, der først forudså fænomenet, gravitationel linseeffekt for 100 år siden”, fortæller Anja von der Linden, postdoc i Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Man har tidligere observeret sådanne multi-gengivelser af gravitationelt afbøjet lys fra galakser og kvasarer (aktive sorte huller), men man har aldrig tidligere set en supernova gengivet med fire lysstråler. ”Jeg var helt oppe at ringe, da jeg spottede de fire lysgengivelser omkring galaksen. Det var en fuldstændig overraskelse”, fortæller Patrick Kelly fra University of California, der opdagede supernovaen ved en rutinesøgning i forbindelse med projektet, Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS).
Leder af Frontier Fields Supernova team, Steve Rodney fra Johns Hopkins University, fortæller, at de fire lys-stråler fra supernovaen er dukket frem én efter én med få dages mellemrum indenfor et par uger, men de så dem efter, at alle fire billeder var blevet synlige.
Dobbelt-effekt
Lyset fra den bagvedliggende supernova bliver afbøjet af tyngdekraften fra en stor samling af galakser og en elliptisk galakse, der derved virker som et forstørrelsesglas og forstærker lyset fra den fjerne supernova. Det særlige fænomen, kaldet gravitationel linseeffekt virker som naturens eget gigantiske teleskop, og supernovaen fremstår 20 gange mere lysstærk end dens normale lysstyrke.
(Credit: NASA/ESA/GLASS)
Galaksehoben ligger fem milliarder lysår væk, og supernovaen ligger ni milliarder lysår fra Jorden. En supernova i den afstand ville normalt være meget lyssvag, men på grund af den særligt gunstige beliggenhed forstærkes dens lys.
”Supernovaen fremstår 20 gange mere lysstærk end dens normale lysstyrke. Det skyldes den kombinerede effekt af to overlappende ’linser’. Den massive galaksehob fokuserer lyset fra supernovaen langs mindst tre separate veje, og én af disse lysveje rammer tilfældigvis præcist sammen med en stor elliptisk galakse i gruppen af galakser, og det bevirker, at der opstår endnu en linse-effekt”, fortæller Jens Hjorth, professor og leder af Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
Gådefuldt mørkt stof
Rummet mellem alle galakserne er ikke bare tomt, det er fyldt med mørkt stof, og det kan den usædvanlige observation også være med til at kaste nyt lys på. De synlige himmellegemer – planeter, stjerner og galakser udgør kun omkring fem procent af universet. Resten består af mørk energi og mørkt stof, men mørkt stof kan ikke ses, for det hverken udsender lys eller reflekterer lys, men det kan vejes indirekte med tyngdekraften. Da tyngdekraften svarer til massen, altså tyngden af alt det stof, der er i galaksen, kan man regne vægten ud. Jo tungere den galakse, som stjernerne farer rundt i er, jo hurtigere bevæger stjernerne sig. Så ud fra hastigheden af stjernerne kan man beregne, hvor meget galaksen vejer. Beregningerne viser, at langt det meste stof i en galakse er mørkt stof, ligesom der også er meget mørkt stof mellem galakserne i galaksehoben.
I den store firkant til højre i billedet ses de fire lys-gengivelser af supernovaen, som blev spottet den 11. november 2014. Den blå cirkel viser et andet sted i galakse-hoben, hvor man for 20 år siden formentligt har kunnet se supernovaen i et enkelt billede, og den røde cirkel viser, hvor supernovaen ifølge beregninger vil fremkomme igen om få år. Det vil give astronomerne en sjælden mulighed for at få et tilbageblik på supernovaen og desuden give forskerne mulighed for at forbedre deres beregninger af mængden og fordelingen af mørkt stof – både i galaksehoben og i den enkelte ellipsegalakse. (Credit: NASA/ESA/GLASS)
Men hvordan fordeler det sig? Den unikke observation vil give forskerne mulighed for at forbedre deres beregninger af mængden og fordelingen af mørkt stof – både i galaksehoben og i den enkelte ellipsegalakse.
Kortlægning af mørkt stof
Når de fire lys-gengivelser aftager i styrke, vil astronomerne få en sjælden mulighed for at få et tilbageblik på supernovaen, for det nuværende mønster med fire billeder er kun den ene del af det gravitationelle linse-fænomen. For 20 år siden har man formentligt kunnet se supernovaen i et enkelt billede et andet sted i galakse-hoben, og beregninger viser, at det vil fremkomme igen om få år.
”Lyset i hvert billede bliver afbøjet forskelligt på dets vej gennem labyrinten af klumpet mørkt stof og på grund af de forskellige ruter, ankommer de på forskellige tidspunkter til os på Jorden. Ved at måle forsinkelsen mellem de forskellige tidspunkter, som lyset ankommer, vil vi ved hjælp af modelberegninger kunne kortlægge fordelingen af mørkt stof”, siger Jens Hjorth.
Jens Hjorth, professor og leder af Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-5928, jens@dark-cosmology.dk
Anja von der Linden, postdoc, Sophie and Tycho Brahe Fellow, Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, +45 3532-0939, avdl@dark-cosmology.dk