In 1929 verraste Edwin Hubble veel mensen – waaronder Albert Einstein – toen hij aantoonde dat het heelal uitdijt. Een andere bom kwam in 1998 toen twee teams van astronomen bewezen dat de kosmische expansie feitelijk versnelt als gevolg van een mysterieuze eigenschap van de ruimte die donkere energie wordt genoemd. Deze ontdekking leverde het eerste bewijs van wat nu het heersende model van het universum is:"Lambda-CDM, " die zegt dat de kosmos ongeveer 70 procent donkere energie is, 25 procent donkere materie en 5 procent "normale" materie (alles wat we ooit hebben waargenomen).

Tot 2016, Lambda-CDM kwam prachtig overeen met tientallen jaren aan kosmologische gegevens. Vervolgens gebruikte een onderzoeksteam de Hubble-ruimtetelescoop om de lokale kosmische expansiesnelheid uiterst nauwkeurig te meten. Het resultaat was nog een verrassing:de onderzoekers ontdekten dat het universum iets sneller uitdijde dan Lambda-CDM en de Cosmic Microwave Background (CMB), overblijfselstraling van de oerknal, voorspelde. Het lijkt er dus op dat er iets niet klopt - zou deze discrepantie een systematische fout kunnen zijn, of mogelijk nieuwe natuurkunde?

Astrofysici van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Institute of Cosmology and Gravitation van de University of Portsmouth in het Verenigd Koninkrijk zijn van mening dat Type Ia-supernova's met een sterke lens de sleutel zijn om deze vraag te beantwoorden. En in een nieuwe Astrofysisch tijdschrift papier, ze beschrijven hoe u "microlensing, " een fysiek effect waarvan veel wetenschappers dachten dat het een grote bron van onzekerheid zou zijn voor deze nieuwe kosmische sondes. Ze laten ook zien hoe deze zeldzame gebeurtenissen in realtime kunnen worden geïdentificeerd en bestudeerd.

"Sinds het CMB-resultaat naar buiten kwam en het versnellende universum en het bestaan ​​van donkere materie bevestigde, kosmologen hebben geprobeerd de kosmologische parameters steeds beter te meten, verklein de foutbalken, " zegt Peter Nugent, een astrofysicus in het Computational Cosmology Center (C3) van Berkeley Lab en co-auteur van het papier. "De foutbalken zijn nu zo klein dat we zouden moeten kunnen zeggen 'dit en dit komen overeen, ' dus de in 2016 gepresenteerde resultaten introduceerden een grote spanning in de kosmologie. Onze paper presenteert een weg voorwaarts om te bepalen of het huidige meningsverschil echt is of dat het een vergissing is."

Betere afstandsmarkeringen werpen een helderder licht op de kosmische geschiedenis

Hoe verder weg een object in de ruimte is, hoe langer het duurt voordat het licht de aarde bereikt. Dus hoe verder we kijken, hoe verder we terug in de tijd kijken. Al decenia, Type Ia-supernova's zijn uitzonderlijke afstandsmarkeringen geweest omdat ze buitengewoon helder en vergelijkbaar zijn in helderheid, ongeacht waar ze zich in de kosmos bevinden. Door naar deze objecten te kijken, wetenschappers ontdekten dat donkere energie de kosmische expansie voortstuwt.

Maar vorig jaar vond een internationaal team van onderzoekers een nog betrouwbaardere afstandsmarkering:de allereerste Type Ia-supernova met een sterke lens. Deze gebeurtenissen vinden plaats wanneer het zwaartekrachtsveld van een massief object - zoals een melkwegstelsel - het passerende licht van een Type Ia-gebeurtenis erachter buigt en opnieuw focust. Deze "zwaartekrachtlens" zorgt ervoor dat het licht van de supernova helderder lijkt en soms op meerdere locaties, als de lichtstralen verschillende paden rond het massieve object afleggen.

Omdat verschillende routes rond het massieve object langer zijn dan andere, licht van verschillende afbeeldingen van dezelfde Type Ia-gebeurtenis zal op verschillende tijdstippen aankomen. Door tijdvertragingen tussen de sterk gelenzente beelden te volgen, astrofysici geloven dat ze een zeer nauwkeurige meting van de kosmische expansiesnelheid kunnen krijgen.

"Supernova's met een sterke lens zijn veel zeldzamer dan conventionele supernova's - ze zijn één op de 50, 000. Hoewel deze meting voor het eerst werd voorgesteld in de jaren 60, het is nooit gemaakt omdat er tot nu toe slechts twee supernovae met een sterke lens zijn ontdekt, geen van beide waren vatbaar voor tijdvertragingsmetingen, " zegt Danny Goldstein, een afgestudeerde student van UC Berkeley en hoofdauteur van de nieuwe Astrofysisch tijdschrift papier.

Na het uitvoeren van een aantal rekenintensieve simulaties van supernovalicht in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een Department of Energy Office of Science User Facility in Berkeley Lab, Goldstein en Nugent vermoeden dat ze er ongeveer 1 kunnen vinden. 000 van deze Type Ia-supernova's met een sterke lens in gegevens verzameld door de aanstaande Large Synoptic Survey Telescope (LSST) - ongeveer 20 keer meer dan eerdere verwachtingen. Deze resultaten vormen de basis van hun nieuwe paper in the Astrofysisch tijdschrift .

"Met drie quasars met lenzen - kosmische bakens afkomstig van massieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels - maten medewerkers en ik de expansiesnelheid tot 3,8 procent nauwkeurig. We kregen een waarde die hoger was dan de CMB-meting, maar we hebben meer systemen nodig om echt zeker te zijn dat er iets mis is met het standaardmodel van de kosmologie, " zegt Thomas Collet, een astrofysicus aan de Universiteit van Portsmouth en een co-auteur van de nieuwe Astrofysisch tijdschrift papier. "Het kan jaren duren om een ​​tijdvertragingsmeting met quasars te krijgen, maar dit werk laat zien dat we het voor supernova's in maanden kunnen doen. Met duizend lensvormige supernova's kunnen we de kosmologie echt vaststellen."

Naast het identificeren van deze gebeurtenissen, de NERSC-simulaties hielpen hen ook te bewijzen dat Type Ia-supernovae met een sterke lens zeer nauwkeurige kosmologische sondes kunnen zijn.

"Als kosmologen tijdvertragingen proberen te meten, het probleem dat ze vaak tegenkomen is dat individuele sterren in het lensstelsel de lichtkrommen van de verschillende beelden van de gebeurtenis kunnen vervormen, waardoor het moeilijker wordt om ze te matchen, ", zegt Goldstein. "Dit effect, bekend als 'microlensing, ' maakt het moeilijker om nauwkeurige vertragingen te meten, die essentieel zijn voor de kosmologie."

Maar na het uitvoeren van hun simulaties, Goldstein en Nugent ontdekten dat microlensing de kleuren van Type Ia-supernova's met sterke lenzen in hun vroege fasen niet veranderde. Dus onderzoekers kunnen de ongewenste effecten van microlensing aftrekken door met kleuren te werken in plaats van met lichtcurven. Zodra deze ongewenste effecten zijn afgetrokken, wetenschappers zullen in staat zijn om de lichtcurven gemakkelijk te matchen en nauwkeurige kosmologische metingen te doen.

Ze kwamen tot deze conclusie door de supernova's te modelleren met behulp van de SEDONA-code, die is ontwikkeld met financiering van twee DOE Scientific Discovery via Advanced Computing (SciDAC) instituten om lichtcurven te berekenen, spectra en polarisatie van asferische supernovamodellen.

"In de vroege jaren 2000 financierde DOE twee SciDAC-projecten om supernova-explosies te bestuderen, we hebben in feite de output van die modellen genomen en door een lenssysteem geleid om te bewijzen dat de effecten achromatisch zijn, ' zegt Nugent.

"De simulaties geven ons een duizelingwekkend beeld van de innerlijke werking van een supernova, met een detailniveau dat we anders nooit zouden weten, " zegt Daniël Kasen, een astrofysicus in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab, en een co-auteur op het papier. "Vooruitgang in high-performance computing stelt ons eindelijk in staat om de explosieve dood van sterren te begrijpen, en deze studie toont aan dat dergelijke modellen nodig zijn om nieuwe manieren te vinden om donkere energie te meten."

Supernova-jacht tot het uiterste brengen

Wanneer LSST in 2023 met volledige onderzoeksactiviteiten begint, het zal in slechts drie nachten de hele hemel kunnen scannen vanaf zijn plek op de Cerro Pachón-bergkam in het noorden van centraal Chili. Tijdens zijn 10-jarige missie, LSST zal naar verwachting meer dan 200 petabyte aan data leveren. Als onderdeel van de LSST Dark Energy Science Collaboration, Nugent en Goldstein hopen dat ze een deel van deze gegevens door een nieuwe supernova-detectiepijplijn kunnen leiden, gevestigd bij NERSC.

Al meer dan een decennium, De Real-Time Transient Detection-pijplijn van Nugent die bij NERSC draait, heeft machine learning-algoritmen gebruikt om observaties te doorzoeken die zijn verzameld door de Palomar Transient Factor (PTF) en vervolgens de Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) - elke nacht zoekend naar "tijdelijke" objecten die veranderen in helderheid of positie door de nieuwe waarnemingen te vergelijken met alle gegevens die van vorige nachten zijn verzameld. Binnen enkele minuten nadat een interessante gebeurtenis is ontdekt, machines bij NERSC activeren vervolgens telescopen over de hele wereld om vervolgwaarnemingen te verzamelen. In feite, het was deze pijpleiding die eerder dit jaar de allereerste Type Ia-supernova met sterke lens onthulde.

"Wat we hopen te doen voor de LSST is vergelijkbaar met wat we deden voor Palomar, maar keer 100, "zegt Nugent. "Er zal elke avond een stortvloed aan informatie komen van LSST. We willen die gegevens nemen en vragen wat we weten over dit deel van de lucht, wat is daar eerder gebeurd en is dit iets waar we in geïnteresseerd zijn voor de kosmologie?"

Hij voegt eraan toe dat zodra onderzoekers het eerste licht van een supernova-gebeurtenis met een sterke lens identificeren, computationele modellering kan ook worden gebruikt om precies te voorspellen wanneer het volgende licht zal verschijnen. Astronomen kunnen deze informatie gebruiken om telescopen op de grond en in de ruimte te activeren om dit licht op te volgen en te vangen. waardoor ze in wezen een supernova kunnen observeren seconden nadat deze is afgegaan.

"Ik kwam 21 jaar geleden naar Berkeley Lab om te werken aan supernova-stralingsoverdrachtmodellering en nu hebben we voor het eerst deze theoretische modellen gebruikt om te bewijzen dat we kosmologie beter kunnen doen, ", zegt Nugent. "Het is opwindend om te zien hoe DOE de vruchten plukt van investeringen in computationele kosmologie die ze tientallen jaren geleden begonnen te doen."