Jedan od najtvrdokornijih problema moderne kozmologije jest precizno određivanje brzine širenja svemira. Svemir se širi, ali mjerenja stope širenja i dalje se ne slažu do kraja. Ta se stopa naziva Hubbleova konstanta, prema američkom astronomu Edwinu Hubbleu, koji je 1920-ih pokazao da se svemir širi.
Znanstvenici desetljećima mjere Hubbleovu konstantu i u tome su napredovali, ali potpuna sigurnost i dalje izmiče. “Hubbleova napetost” naziv je za nesklad između rezultata dobivenih različitim metodama. Kad se Hubbleova konstanta izvodi iz kozmičke mikrovalne pozadine, dobiva se 67 km/s/Mpc. Kad se koristi kozmička ljestvica udaljenosti i standardne svijeće, dobiva se 73 km/s/Mpc.
Standardne svijeće su astronomski objekti čija je apsolutna magnituda dobro određena. Jedan od najvažnijih primjera su supernove tipa Ia.
Astronomi su sada pronašli par supernova (SNe) u okolnostima koje su rijetke i korisne baš za ovakva mjerenja. Te su supernove udaljene milijardama svjetlosnih godina, a njihovu svjetlost snažno gravitacijsko lećenje povećava i razdvaja u više slika.
Rezultati povezani s tim otkrićem predstavljeni su na 247. sastanku Američkog astronomskog društva.
Nalaze je na skupu predstavio Conor Larison iz Space Telescope Science Institute, postdoktorski istraživač i član suradnje JWST VENUS. Naziv VENUS je kratica za Vast Exploration for Nascent, Unexplored Sources, a projekt nema nikakve veze s planetom Venerom. U okviru tog programa Svemirski teleskop James Webb provodi duboka opažanja 60 bogatih skupova galaksija.
Program JWST VENUS
Iako je program VENUS tek na polovici, već je iz dubokih opažanja izvukao niz rijetkih, drevnih izvora, uključujući pojedinačne zvijezde iz ranog svemira. Zabilježeni su i iznimno slabi objekti, poput drevnih aktivnih crnih rupa u središtima mladih galaksija, te dvije supernove nazvane SN Ares i SN Athena.
Pojedini skupovi galaksija u takvim se opažanjima ponašaju kao snažne gravitacijske leće: pojačavaju udaljene izvore i razdvajaju njihovu svjetlost u više odvojenih slika. Upravo to se dogodilo sa SN Ares i SN Athena.
“Supernova Ares nalazi se na prilično velikoj udaljenosti u usporedbi s drugim supernovama kolapsa jezgre koje možemo vidjeti, a jedini razlog zbog kojeg je možemo detektirati i pratiti jest učinak povećanja zbog snažnog lećenja skupa galaksija”, rekao je Larison u izlaganju na AAS247.
Prema njegovim riječima, James Webb je pritom uspio prikupiti spektre te supernove, što bi trebalo otvoriti uvid u fiziku eksplozija u ranom svemiru. “No osim fizike supernove, ovo je snažno gravitacijski lećena supernova, što znači da se njezina galaksija pojavljuje više puta. Zbog toga će se ponovno pojaviti na snimci tog skupa galaksija za 60 godina”, dodao je.
Fizikalna slika je jasna: skupovi galaksija su ekstremno masivni, a relativnost kaže da takva masa savija prostorvrijeme. Budući da se iz naše perspektive skup i supernova nalaze gotovo na istoj liniji pogleda, svjetlost iz pozadine na putu prema nama skreće pod utjecajem mase skupa i u konačnici se “raspada” na više slika istog događaja.
“Snažno gravitacijsko lećenje pretvara skupove galaksija u najmoćnije teleskope koje priroda ima”, rekao je Seiji Fujimoto, glavni istraživač programa VENUS, u priopćenju za medije. “VENUS je osmišljen kako bi maksimalno pronalazio najrjeđe događaje u udaljenom svemiru, a ove lećene supernove upravo su ona vrsta fenomena koju može otkriti samo takav pristup.”
SN Ares bila je prva supernova koju je VENUS pronašao, a eksplodirala je kada je svemir bio star oko 4 milijarde godina. SN Athena eksplodirala je prije oko 6,5 milijardi godina. Njihova svjetlost nije samo savijena i pojačana gravitacijskim lećenjem, nego je i rastegnuta zbog širenja svemira.
Kašnjenja između slika: prirodni test za Hubbleovu konstantu
Ono što SN Ares i SN Athena čini posebno korisnima jest to što njihove višestruke slike ne stižu u istom trenutku. Kod svake od tih supernova pojedine slike dolaze s vremenskim odmakom, a upravo se taj odmak može iskoristiti kao “prirodni pokus” za mjerenje Hubbleove konstante.
Ponovne slike SN Athena trebale bi se pojaviti za otprilike dvije do tri godine, dok se za SN Ares očekuje da će dvije slike stići tek za oko 60 godina. U slučaju SN Ares riječ je, dakle, o razmacima koji se mjere desetljećima, što otvara mogućnost da se vrijednost Hubbleove konstante unaprijed procijeni, a zatim provjeri kada se predviđene slike doista pojave.
“Dosad nikada nije viđeno tako dugo očekivano kašnjenje između slika snažno lećene supernove, i to bi mogla biti prilika za prediktivni eksperiment koji bi mogao postaviti nevjerojatno precizna ograničenja na kozmološku evoluciju”, rekao je Conor Larison. “Teško je znati koja će biti ključna pitanja dana za 60 godina, ali ono što je sigurno jest da će to ponovno pojavljivanje omogućiti najpreciznije, jednokoračno mjerenje kozmologije koje smo ikada imali priliku napraviti.”
SN Athena može poslužiti na sličan način, ali u mnogo kraćem vremenskom prozoru. Metoda se oslanja na usporedbu prognoze i stvarnosti: na temelju postojećih opažanja supernova i svojstava skupa galaksija najprije se predvidi kada bi sljedeće slike trebale stići, potom se čeka njihov dolazak, a izmjereno kašnjenje pokazuje koliko je predviđanje bilo točno.
“Predviđeno vremensko kašnjenje do sljedeće slike SN Athena od nekoliko godina omogućit će nam da se izjasnimo o vrijednosti Hubbleove konstante u trenutku kada je takvo neovisno mjerenje prijeko potrebno”, rekao je Justin Pierel, stipendist programa Einstein, iz Space Telescope Science Institute (STScI). “To bi moglo učvrstiti mogućnost nove fizike ili, alternativno, ukazati na nepoznate sistematske pogreške u najboljim današnjim kozmološkim analizama.”
U širem smislu, riječ je o astronomiji vremenske domene, grani koja proučava objekte koji se mijenjaju kroz vrijeme, bilo po položaju, sjaju ili drugim svojstvima. SN Ares i SN Athena uklapaju se u taj okvir, ali s neuobičajenim vremenskim mjerilom: od same eksplozije prošle su milijarde godina, dok se razmaci između dolazaka njihovih slika mjere godinama ili desetljećima.
“Što je vremensko kašnjenje dulje, to su ove supernove bolje za postavljanje ograničenja u kozmologiji”, rekao je Larison na AAS247. “Budući da je svjetlost tih pozadinskih izvora savijena i izobličena tim skupovima galaksija, stiže s vremenskim kašnjenjem koje je izravno povezano s poviješću širenja svemira. Ta povijest širenja ovisi o tamnoj energiji, koja čini 70% svemira”, rekao je Larison.
Što je tamna energija, zasad nije poznato, a za 60 godina ključna pitanja o njoj vjerojatno će biti drukčija nego danas. “Možda za 60 godina nećemo sa sigurnošću znati što se točno događa sa širenjem svemira, a SN Ares će nam pomoći da to razmrsimo”, rekao je Larison.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
