Första bilderna av en galax som kröker ljus från supernova

Observationerna visar på en lovande ny teknik för att testa teorier för universums accelererande expansion, om gravitationen och om fördelningen av mörk materia i universum.

Supernovor av Typ Ia, naturens ”standardljus”, har använts i många år av astronomer för att mäta kosmologiska avstånd. Studierna ledde till upptäckten att universums expansion accelererar. Denna sensationella upptäckt tilldelades Nobelpriset i fysik 2011. Ariel Goobar vid Fysikum, Stockholms universitet, ingick då i forskarlaget som leddes av en av Nobelpristagarna, Saul Perlmutter.

Ljusflöde från en avlägsen galax
Nu har Ariel Goobar och forskargruppen vid intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), där även Rahman Amanullah, Edvard Mörtsell, Jesper Sollerman och ytterligare sju forskare och studenter vid Stockholms universitet ingår, upptäckt ett sällsynt astronomiskt fenomen. Det rör sig om att ljusflödet från en Typ Ia-supernova i en avlägsen galax förstärks mer än 50 gånger av den fokuserande effekten av materia i siktlinjen. Ljuset från supernovan delas upp i fyra upplösta bilder i ett korsliknande mönster runt den fokuserande/mellanliggande galaxen, halvvägs mellan oss och supernovans värdgalax.

Ljuset från supernovan iPTF16geu och dess värdgalax avböjs och förstärks när det färdas genom krökta rum-tiden runt den framförvarande galaxen. Ljusstrålarna delas i fyra bilder för den punktformiga supernovan. Dessa har detekterats med Hubbleteleskopet. Originalbild: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al. Redigerad av Joel Johansson.

Att gravitationen kan avböja och fokusera ljus, så kallad gravitationell linsning, förutsades av Einsteins hundra år gamla allmänna relativitetsteori, långt innan sådana mätningar var möjliga. Fenomenet är analogt med avböjningen av ljus i en optisk lins. Vid gravitationslinsning är det rymdens krökning i närheten av massiva kroppar som påverkar ljusets bana. Under 1960-talet föreslog den norska astronomen Sjur Refsdal en metod där mätningen av tidsskillnader mellan bilder från starkt linsade astronomiska fenomen kunde användas för att mäta universums expansionshastighet.

Kombination av två sällsynta händelser
Gravitationellt linsade Typ Ia-supernovor är särskilt användbara för dessa studier eftersom dessa stjärnexplosioner utgör kosmologernas favoritobjekt för att mäta avstånd. Svårigheten har varit att hitta sådana udda fenomen; Typ Ia-supernovor inträffar endast en gång på 500 år i en vanlig galax.

Stark linsning, av det slag som nu hittats, inträffar endast hos en på hundratusen supernovaexplosioner. Kombinationen av två sällsynta händelser ger en synnerligen låg sannolikhet att hitta ett sådant fenomen. Ändå har forskarna just hittat ett sådant fall och dessutom med det relativt enkla teleskopet vid Palomarobservatoriet i Kalifornien. Upptäckten verifierades med Hubbleteleskopet samt med Keckteleskopet i Hawaii och ESO:s Very Large Telescope.

– Att vi lyckades fånga upp hur supernovans ljus delas upp i fyra upplösta positioner ger oss inte bara extremt vackra bilder, men också unika möjligheter att studera effekten av krökningen av rymden kring mindre strukturer än vad som hittills varit möjligt utanför vår egen galax. Eftersom vi vet hur starkt Typ Ia-supernovor lyser, kan vi identifiera de extremt sällsynta fall där ljuset fokuserats av materia i siktlinjen, även utan att använda oss av rymdbaserade eller andra dyrbara högupplösningsteleskop. Vi kan därför leta efter dem över stora delar av himlen, vilket ger oss dramatiskt bättre odds, säger Ariel Goobar vid Fysikum.

En ny gravitationellt linsad supernova varje år
Att lösa upp de fyra bilderna var en utmaning som krävde några av jordens mest avancerade astronomiska instrument.

– Det är som att stå på toppen av Kebnekaise och försöka urskilja de båda strålkastarna på en bil i Hudiksvall, om det hade gått att se så långt, säger Rahman Amanullah, även han forskare vid Fysikum.

Under sommaren uppgraderas teleskopet vid Palomar för att kunna leta efter supernovor mer än tio gånger mera effektivt än idag. Forskarna hoppas då kunna hitta minst en sådan gravitationellt linsad supernova varje år.

– Detta ger oss spännande nya möjligheter att förbättra mätningarna av universum expansion, samt fördjupa oss i studien av gravitationen och mörka materians sammansättning, säger Ariel Goobar.

Studien: iPTF16geu: A multiply-imaged gravitationally lensed Type Ia supernova är publicerad i tidskriften Science. I forskargruppen ingår forskare från bland annat Stockholms universitet och Oskar Klein-centret, California Institute of Technology, University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory och Weizmann Institute of Science.

The intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) drivs av California Institute of Technology.

Kontakt: Ariel Goobar, Fysikum, Stockholms universitet. Telefon: 0739845465, e-post: ariel@fysik.su.se.