14. september 2021

Astronomer ser den samme supernova tre gange — og forudsiger en fjerde om 16 år

Astrofysik

Den enorme tyngdekraft fra en hob af galakser krummer rummet så meget, at lyset fra fjerne galakser afbøjes og sendes ned til os fra flere retninger. Denne effekt har gjort astronomer fra Københavns Universitet i stand til at se den samme eksploderende stjerne ikke mindre en tre forskellige steder på himlen. De forudsiger endda, at et fjerde billede af samme eksplosion vil dukke op på himlen i år 2037. Studiet, som netop er publiceret i tidsskriftet Nature Astronomy, giver en enestående mulighed for at udforske ikke bare supernovaen, men også selve Universets udvidelse.

Galaksehob
Tyngdekraften fra den tunge galaksehob MACS J0138 krummer rummet, så lyset fra en bagvedliggende galakse afbøjes på flere forskellige måder. Til venstre ses et billede af hoben fra 2016, hvor lyset fra den samme eksploderende stjerne ses tre steder på himlen. Til højre ses samme område i 2019, hvor stjernen nu er væk, men astronomer fra bl.a. Niels Bohr Institutet har beregnet, at den vil dukke op igen i år 2037 (Foto: S. Rodney (U. of S. Carolina), G. Brammer (Cosmic Dawn Center), J. DePasquale (STScI), P. Laursen (Cosmic Dawn Center)).

Et af de mest fascinerende aspekter af Einsteins berømte relativitetsteori er, at tyngdekraften ikke længere beskrives som en kraft, men som en "krumning" af selve rummet. Tunge objekter krummer rummet, og denne krumning får ikke bare planeter til at dreje rundt om stjerner, men kan også afbøje lysstrålers bane.

De tungeste strukturer i Universet — galaksehobe med hundreder eller tusinder af galakser — kan afbøje lys fra fjerne, bagvedliggende galakser så meget, at de ser ud til at ligge et helt andet sted, end de gør.

Og ikke nok med dét: Lyset kan tage flere forskellige veje rundt om hoben, så vi kan være heldige at se to eller flere billeder af samme galakse, flere forskellige steder på himlen gennem et kraftigt teleskop.

Nogle ruter rundt om galaksehoben er længere end andre, og tager derfor længere tid. Derudover går tiden langsommere, jo stærkere tyngdekraften er; endnu en forbløffende konsekvens af relativitetsteorien. Derfor tager det heller ikke helt den samme tid for lyset at nå ned til os, og derfor ser vi de forskellige billeder forskudt i tid.

Supernova på repeat

Denne forunderlige effekt har tilladt et hold astronomer fra Cosmic Dawn Center — et grundforskningscenter under Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet og DTU Space — og deres internationale partnere at observere en galakse ikke mindre end fire forskellige steder på himlen.

Observationerne blev udført i det infrarøde bølgelængdeområde med rumteleskopet Hubble.
Ved at analysere Hubble-dataene bemærkede forskerne tre klare lyskilder i baggrundsgalaksen, der var tydelige i et tidligere sæt observationer taget i 2016, men som var forsvundet da Hubble besøgte feltet igen i 2019. Disse tre kilder viste sig at være flere billeder af en stjerne, der endte sit liv i en kolossal eksplosion — en såkaldt supernova.

"En enkelt stjerne eksploderede for 10 milliarder år siden, længe før selv vores egen Sol blev dannet, og lysglimtet fra den eksplosion har netop nået os", siger lektor Gabriel Brammer fra Cosmic Dawn Center, som ledede undersøgelsen sammen med professor Steven Rodney fra University of South Carolina, USA.

Supernovaen med kaldenavnet "SN-Requiem" kan ses i tre af de fire "spejlbilleder" af galaksen, og fordi lyset i disse tre billeder er ankommet med et par måneders forskydelse, giver de os tre forskellige syn på udviklingen af eksplosionen. I det sidste billede er supernovaen endnu ikke eksploderet, men ved at undersøge, hvordan galakserne ligger fordelt i galaksehoben, og hvordan billederne er forvrænget af det krumme rum, er det faktisk muligt at beregne, hvor langt "bagud i tid" dette billede er.

På denne måde har astronomerne været i stand til at komme med en bemærkelsesværdig forudsigelse:

”Det fjerde billede af galaksen er cirka 21 år bagud, og vi bør derfor se supernovaen eksplodere en gang til omkring år 2037,” forklarer Gabriel Brammer.

Kan gøre os klogere på selve Universet

Hvis forskerne kan se SN-Requiem eksplodere igen i år 2037, vil det ikke bare kunne bekræfte forståelsen af tyngdekraft, men også være med til at kaste lys over et andet kosmologisk puslespil, som er opstået inden for de sidste par år, nemlig Universets udvidelse.

Forskerne ved at Universet udvider sig, og med forskellige metoder kan de måle hvor hurtigt det går. Problemet er bare, at de to bedste metoder ikke giver det samme resultat, selv hvis man tager højde for måleusikkerheder. Derfor er det store spørgsmål om teknikkerne til at observere fænomenet er fejlbehæftede, eller om man er nødt til helt at revidere fundamental fysik og vores forståelse of kosmologi.

"At forstå universets struktur er en topprioritet for de største jordbaserede observatorier og internationale rumorganisationer i løbet af det næste årti. Planlagte fremtidige undersøgelser vil dække en stor del af himlen og forventes at afsløre snesevis eller endda hundredvis af sjældne tyngdelinser med supernovaer som SN Requiem, "siger Brammer og tilføjer:

"Præcise målinger af tidsforsinkelser fra sådanne kilder giver unikke og pålidelige bestemmelser af den kosmiske udvidelse, og kan oven i købet hjælpe med at afsløre egenskaberne af mørkt stof og mørk energi."

Studiet er netop udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature Astronomy.

Kontakt

Gabriel Brammer
Lektor
Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet
Telefon: 31 57 55 85
Mail: gabriel.brammer@nbi.ku.dk

Peter Laursen
Videnskabelig Assistent
Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet
Mobil: 30 26 59 69
Mail: pela@nbi.ku.dk 

Michael Skov Jensen
Journalist
Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Københavns Universitet
Mobil: 93 56 58 97
Mail: msj@science.ku.dk 

Læs også