Licht van supernova gebruikt om uitdijing van het heelal te meten

18 mei 2023 kuuke 533 weergaves cluster van sterrenstelsels, hubble constante, refsdal, supernova, uitdijing

De door zwaartekracht gelensde supernova (SN) Refsdal werd in 2014 gevonden in het veld van MACS J1149.6+2223. Dit is een cluster van sterrenstelsels die ongeveer 5 miljard lichtjaar van ons is verwijderd in de richting van het sterrenbeeld Leeuw – Leo. De supernova vond ongeveer 9,3 miljard jaar geleden plaats en het is het eerste bekende voorbeeld van een sterk gelenste supernova met meerdere afbeeldingen.

De supernova is vernoemd naar Sjur Refsdal. Deze astronoom stelde in 1964 een theorie op over hoe de Hubble constante (Hubble’s wet) te bepalen. Deze wet beschrijft dat sterrenstelsel die van de Aarde weg bewegen dat doen met een snelheid proportioneel aan hun afstand. Dit betekent hoe verder weg hoe hoger de snelheid. SN Refsdal is de eerste supernova waarbij deze theorie in praktijk is toegepast.

afbeelding van SN Refsdal — De vergrote inzet toont vier afbeeldingen van SN Refsdal, gespot in 2014, gerangschikt rond een gigantisch elliptisch sterrenstelsel in de cluster. Het licht van de supernova komt zo dicht bij de dichte kern van het sterrenstelsel dat verschillende lichtpaden worden omgeleid en gefocust op de aarde. Het resultaat is dat astronomen vier afbeeldingen zien die een Einsteinkruis vormen. De blauwe strepen die zich om het sterrenstelsel wikkelen, zijn de uitgerekte beelden van het moederspiraalstelsel van SN Refsdal, dat is vervormd door het kromtrekken van de ruimte. Computermodellen van de sterrenhoop voorspellen dat er binnen 5 jaar weer een afbeelding van de stellaire ontploffing zal verschijnen. De rode cirkel markeert de mogelijke locatie van het volgende supernovabeeld. Astronomen hebben mogelijk een eerdere verschijning van de supernova in 1995 gemist, zoals aangegeven door de blauwe cirkel. Deze meerdere verschijningen van de exploderende ster zijn te danken aan de verschillende paden die het licht volgt door het doolhof van klonterige donkere materie in de galactische groepering. Elk beeld volgt een andere route door de cluster en komt op een ander tijdstip aan, deels als gevolg van verschillen in de lengte van de paden die het licht volgt om de aarde te bereiken. Credit: NASA / ESA / S. Rodney, JHU / FrontierSN-team / T. Treu, UCLA / P. Kelly, UC Berkeley / GLASS-team / J. Lotz, STScI / Frontier Fields-team / M. Postman, STScI / CLASH-team / Z. Levay, STScI.

Er zijn twee nauwkeurige metingen van de uitdijing van het heelal oftewel van de Hubble constante: berekeningen van nabije waarnemingen van supernova’s en met behulp van de kosmische microgolfachtergrondstraling die kort na de Oerknal vrijelijk begon te stromen.

Deze metingen verschillen echter met ongeveer 9% en dit is punt van discussie in de huidige theorieën over de samenstelling en de ouderdom van het heelal.

“Als nieuwe metingen deze onenigheid tussen de twee metingen van de Hubbleconstante bevestigen dan zou dit een deuk in het pantser van ons begrip van het heelal worden.” Dit zegt Dr. Kelly, ontdekker van SN Refsdal en hoofd van he huidige onderzoek.

De grote vraag is of er een probleem is met een of beide metingen. Het nieuwe onderzoek pakt dit aan door een onafhankelijke, totaal andere manier te gebruiken om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten.

In hun nieuwe onderzoek berekenden Dr. Kelly en zijn collega’s de uitdijingssnelheid van het heelal door gegevens te gebruiken van vier verschillende afbeeldingen van SN Refsdal uit 2014.

Astronomen over de hele wereld hadden correct voorspeld dat de supernova in 2015 op een nieuwe positie zou verschijnen en de Hubble Space Telescope maakte vervolgens een vijfde opname.

Deze meerdere afbeeldingen verschenen omdat SN Refsdal door de zwaartekracht werd gelenst door MAC J1149.6+2223. Door gebruik te maken van de tijdvertragingen tussen het verschijnen van de afbeeldingen konden de auteurs de Hubbleconstante berekenen. De meting is in het voordeel van de waarde van de kosmische microgolfachtergrond, hoewel deze niet sterk in tegenspraak is met de supernovawaarde.

Het meten van de uitdijingssnelheid van het heelal is heel erg lastig. Terwijl enkele jaren geleden de meeste sterke lensmetingen hogere waarden opleverden in spanning met de kosmische microgolfachtergrondschattingen, hebben recentere schattingen en herziene methodologie geleid tot lagere waarden.

Volgens de onderzoekers bevestigt hun onderzoek een trend maar het niet het laatste woord over de expansiesnelheid.

“Als waarnemingen van toekomstige supernova’s die ook door zwaartekracht van clusters worden gelenst een vergelijkbaar resultaat opleveren, dan zou dit een probleem identificeren met de huidige supernova-waarde of met ons begrip van donkere materie in clusters van sterrenstelsels”, aldus Dr. Kelly.

Met behulp van dezelfde gegevens ontdekten de astronomen dat sommige modellen van donkere materie van sterrenstelselclusters hun waarnemingen van de supernova konden verklaren.

Hierdoor konden ze de meest nauwkeurige modellen bepalen voor de locaties van donkere materie in de sterrenstelselcluster, een vraag die astronomen al lang bezighoudt.

De voorspelling en daarop volgende waarneming van het vijfde beeld van SN Refsdal was een groot succes voor het kosmologische model op basis van de algemene relativiteitstheorie en de mysterieuze donkere materie.

Deze gegevens hebben meerdere teams in staat gesteld hun modellen van hoe donkere materie is verdeeld in clusters van sterrenstelsels verder te verfijnen, wat een nauwkeurigere meting van de Hubbleconstante opleverde van een gelenste supernova.

De resultaten zijn in twee artikelen verschenen in de tijdschriften Science en the Astrophysical Journal.

Artikelen: