Met behulp van een geautomatiseerde pijpleiding voor het jagen op supernova's en een melkwegstelsel dat 2 miljard lichtjaar van de aarde verwijderd is en fungeert als een "vergrootglas, '' astronomen hebben meerdere beelden vastgelegd van een Type Ia supernova - de schitterende explosie van een ster - die op vier verschillende locaties aan de hemel verschijnt. Tot nu toe is dit de enige Type Ia die is ontdekt en die dit effect vertoont.

Dit fenomeen dat 'gravitationele lenswerking' wordt genoemd, is een effect van Einsteins relativiteitstheorie:massa buigt licht. Dit betekent dat het zwaartekrachtsveld van een massief object - zoals een melkwegstelsel - lichtstralen die dichtbij komen, kan buigen en ze ergens anders kan herfocussen, waardoor achtergrondobjecten helderder lijken en soms op meerdere locaties. Astrofysici geloven dat als ze meer van deze vergrote Type Ia's kunnen vinden, ze kunnen misschien de snelheid van de uitdijing van het heelal meten tot ongekende nauwkeurigheid en enig licht werpen op de verdeling van materie in de kosmos.

Gelukkig, door de eigenschappen van deze zeldzame gebeurtenis nader te bekijken, twee onderzoekers van Law-rence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben een methode bedacht - een pijplijn - om meer van deze zogenaamde "sterk gelente Type Ia-supernova's" te identificeren in bestaande en toekomstige grootveldonderzoeken. Een paper waarin hun aanpak wordt beschreven, is onlangs gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven . In de tussentijd, een paper waarin de ontdekking en observaties van de 4 miljard jaar oude Type Ia supernova worden beschreven, iPTF16geu, werd gepubliceerd in Wetenschap op 21 april.

"Het is buitengewoon moeilijk om een ​​supernova met zwaartekrachtlens te vinden, laat staan ​​een type Ia met lens. statistisch, we vermoeden dat er ongeveer één op elke 50 is, 000 supernova's die we identificeren, " zegt Peter Nugent, een astrofysicus in de Computational Research Division (CRD) van Berkeley Lab en een auteur van beide artikelen. "Maar sinds de ontdekking van iPTF16geu, we hebben nu enkele gedachten over hoe we onze pijplijn kunnen verbeteren om meer van deze evenementen te identificeren."

Cosmic Surprise werpt nieuw licht op kosmologie

Voor vele jaren, de voorbijgaande aard van supernova's maakte ze extreem moeilijk te detecteren. Dertig jaar geleden, het ontdekkingspercentage was ongeveer twee per maand. Maar dankzij de Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), een nieuw onderzoek met een innovatieve pijplijn, deze gebeurtenissen worden dagelijks gedetecteerd, sommige binnen enkele uren nadat hun eerste explosies verschijnen.

Het proces van het identificeren van voorbijgaande gebeurtenissen, zoals supernova's, begint elke nacht in het Palomar Observatory in Zuid-Californië, waar een groothoekcamera gemonteerd op de robot Samuel Oschin Telescope de lucht scant. Zodra er waarnemingen zijn gedaan, de gegevens reizen meer dan 400 mijl naar het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Department of Energy (DOE), die zich in Berkeley Lab bevindt. Bij NERSC, algoritmen voor machinaal leren die op de supercomputers van de faciliteit worden uitgevoerd, doorzoeken de gegevens in realtime en identificeren transiënten voor onderzoekers om op te volgen.

Op 5 sept. 2016, de pijplijn identificeerde iPTF16geu als een supernova-kandidaat. Op het eerste gezicht, het evenement zag er niet bijzonder uit. Nugent merkt op dat veel astronomen dachten dat het gewoon een typische Type Ia-supernova was die ongeveer 1 miljard lichtjaar van de aarde verwijderd was.

Zoals de meeste supernova's die relatief vroeg worden ontdekt, dit evenement werd helderder met de tijd. Kort nadat het de maximale helderheid had bereikt (19e magnitude) besloot Ariel Goobar, hoogleraar Experimentele deeltjesastrofysica aan de Stockholmse universiteit, een spectrum - of gedetailleerde lichtstudie - van het object te maken. De resultaten bevestigden dat het object inderdaad een Type Ia supernova was, maar dat lieten ze ook zien, verrassend genoeg, het bevond zich op 4 miljard lichtjaar afstand. Een tweede spectrum genomen met het OSIRIS-instrument op de Keck-telescoop op Mauna Kea, Hawaii, toonde zonder twijfel aan dat de supernova 4 miljard lichtjaar verwijderd was, en onthulde ook zijn gaststelsel en een ander sterrenstelsel op ongeveer 2 miljard lichtjaar afstand dat als een zwaartekrachtlens fungeerde, die de helderheid van de supernova versterkte en ervoor zorgde dat deze op vier verschillende plaatsen aan de hemel verscheen.

"Ik ben al ongeveer 15 jaar op zoek naar een supernova met lens. Ik heb in elk mogelijk onderzoek gekeken, Ik heb verschillende technieken geprobeerd om dit te doen en heb het in wezen opgegeven, dus dit resultaat kwam als een grote verrassing, " zegt Goobar, wie is hoofdauteur van de Wetenschap papier. "Een van de redenen waarom ik geïnteresseerd ben in het bestuderen van zwaartekrachtlenzen, is dat je hiermee de structuur van materie - zowel zichtbare als donkere materie - kunt meten op schalen die heel moeilijk te verkrijgen zijn."

Volgens Goobar, het onderzoek in Palomar werd opgezet om naar objecten in het nabije heelal te kijken, ongeveer 1 miljard lichtjaar verwijderd. Maar door in dit onderzoek een verre Type Ia-supernova te vinden, konden onderzoekers nog krachtigere telescopen gebruiken die kleinschalige structuren in het supernova-gaststelsel konden oplossen, evenals het lensstelsel dat het vergroot.

"Er zijn miljarden sterrenstelsels in het waarneembare heelal en het kost een enorme inspanning om in een heel klein stukje van de lucht te kijken om dit soort gebeurtenissen te vinden. Het zou onmogelijk zijn om een ​​gebeurtenis als deze te vinden zonder een uitvergrote supernova die je leidt naar waar Kijken, " zegt Goobar. "We hebben veel geluk gehad met deze ontdekking omdat we de kleinschalige structuren in deze sterrenstelsels kunnen zien, maar we zullen niet weten hoeveel geluk we hebben totdat we meer van deze gebeurtenissen vinden en bevestigen dat wat we zien geen anomalie is."

Een ander voordeel van het vinden van meer van deze gebeurtenissen is dat ze kunnen worden gebruikt als hulpmiddelen om de uitdijingssnelheid van het heelal nauwkeurig te meten. Een van de sleutels hiervoor is zwaartekrachtlensing. Wanneer een sterke zwaartekrachtlens meerdere afbeeldingen van een achtergrondobject produceert, het licht van elke afbeelding volgt een iets ander pad rond de lens op weg naar de aarde. De paden hebben verschillende lengtes, dus licht van elk beeld heeft een andere hoeveelheid tijd nodig om bij de aarde aan te komen.

"Als je de aankomsttijden van de verschillende beelden meet, dat blijkt een goede manier te zijn om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten, ", zegt Goobar. "Als mensen de expansiesnelheid van het heelal nu lokaal meten met behulp van supernova's of Cepheïde-sterren, krijgen ze een ander getal dan degenen die kijken naar vroege universum-waarnemingen en de kosmische microgolfachtergrond. Er is spanning daarbuiten en het zou mooi zijn als we zouden kunnen bijdragen aan het oplossen van die zoektocht."

Nieuwe methodes Snuif supernovae met lens op

Volgens Danny Goldstein, een UC Berkeley astronomie student en een auteur van de Astrophysical Journal letter, er zijn maar een paar supernova's met een zwaartekrachtlens van welk type dan ook ooit ontdekt, inclusief iPTF16geu, en ze zijn allemaal bij toeval ontdekt.

"Door uit te zoeken hoe je systematisch Type Ia-supernova's met sterke lenzen zoals iPTF16geu kunt vinden, we hopen de weg vrij te maken voor grootschalige supernova-zoekopdrachten met lens, die het potentieel van deze objecten als instrumenten voor precisiekosmologie zal ontsluiten, " zegt Goldstein, die met Nugent samenwerkte om een ​​methode te bedenken om ze te vinden in bestaande en toekomstige grootschalige onderzoeken.

Het belangrijkste idee van hun techniek is om het feit te gebruiken dat Type Ia-supernova's "standaardkaarsen" zijn - objecten met dezelfde intrinsieke helderheid - om degenen te identificeren die worden vergroot door lenzen. Ze stellen voor om te beginnen met supernova's die lijken af ​​te gaan in rode sterrenstelsels die geen sterren meer vormen. Deze sterrenstelsels herbergen alleen Type Ia su-pernovae en vormen het grootste deel van zwaartekrachtlenzen. Als een supernova-kandidaat die zich in zo'n sterrenstelsel lijkt te bevinden, helderder is dan de "standaard" helderheid van een Type Ia-supernova, Goldstein en Nugent beweren dat er een grote kans is dat de supernova zich niet echt in de melkweg bevindt, maar is in plaats daarvan een supernova op de achtergrond die door de schijnbare gastheer wordt gelenzen.

"Een van de innovaties van deze methode is dat we niet meerdere beelden hoeven te detecteren om te concluderen dat er een supernova is met een lens, ", zegt Goldstein. "Dit is een enorm voordeel dat ons in staat zou moeten stellen om meer van deze evenementen te vinden dan eerder voor mogelijk werd gehouden."

Met behulp van deze methode, Nugent en Goldstein voorspellen dat de aanstaande Large Synoptic Survey Telescope in de loop van 10 jaar ongeveer 500 Type Ia-supernova's met een sterke lens moet kunnen detecteren - ongeveer 10 keer meer dan eerdere schattingen. In de tussentijd, de Zwicky Transient Facility, die in augustus 2017 begint met het verzamelen van gegevens in Palomar, zou ongeveer 10 van deze gebeurtenissen moeten vinden in een zoektocht van drie jaar. Lopende studies tonen aan dat elk type Ia supernova-beeld met lens het potentieel heeft om een ​​vier procent, of beter, meting van de uitdijingssnelheid van het heelal. Indien gerealiseerd, dit zou een zeer krachtig hulpmiddel kunnen zijn om de kosmologische parameters te onderzoeken en te meten.

"We komen nu op het punt waarop onze tijdelijke onderzoeken groot genoeg zijn, onze pijpleidingen zijn efficiënt genoeg, en onze externe datasets zijn rijk genoeg om door de data te weven en bij deze zeldzame gebeurtenissen te komen, ", voegt Goldstein toe. "Het is een opwindende tijd om op dit gebied te werken."

iPTF is een wetenschappelijke samenwerking tussen Caltech; Los Alamos Nationaal Laboratorium; de Universiteit van Wisconsin, Milwaukee; het Oskar Klein Centrum in Zweden; het Weizmann Institute of Science in Israël; het TANGO-programma van het University System van Taiwan; en het Kavli Instituut voor de Fysica en Wiskunde van het Uni-versum in Japan. NERSC is een DOE Office of Science User Facility.