Космическая линза: как сверхновые-призраки раскроют скорость расширения Вселенной

Две невероятно редкие сверхновые, вспыхнувшие миллиарды лет назад, предоставляют уникальную возможность разгадать главную загадку космологии — с какой скоростью расширяется Вселенная?

Но здесь есть загвоздка: хотя астрономы уже зафиксировали свет от этих взорвавшихся звёзд, нам предстоит ждать до 60 лет, чтобы увидеть его снова.

Всё дело в явлении, называемом гравитационным линзированием. Оно разбивает свет от этих погибших звёзд на несколько изображений, каждое из которых путешествует к нам разным путём через пространство-время. В результате, однажды учёные смогут измерить задержку между этими «призрачными» изображениями, чтобы получить беспрецедентно точные данные о скорости расширения Вселенной. Эта проблема долго ставила учёных в тупик, поскольку Вселенная, похоже, расширяется с разной скоростью в зависимости от того, куда смотреть.

Коннор Ларисон, научный сотрудник Института космического телескопа, представил открытие двух гравитационно линзированных сверхновых, получивших имена SN Арес и SN Афина, на пресс-конференции в рамках 247-го собрания Американского астрономического общества в Фениксе.

Космические увеличительные стёкла открывают невидимое

Наблюдения за этими сверхновыми стали одними из первых результатов программы VENUS (Vast Exploration for Nascent, Unexplored Sources). В рамках этого обзора космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) наблюдает 60 плотных скоплений галактик, которые действуют как космические линзы, расщепляя и усиливая свет от чрезвычайно далёких и в ином случае невидимых объектов, таких как сверхновые.

Этот космический феномен, гравитационное линзирование, является прямым следствием влияния гравитации на ткань пространства-времени и был впервые предсказан Альбертом Эйнштейном в теории относительности. Оно происходит, когда массивный небесный объект, такой как скопление галактик, искривляет свет от более далёкого источника, расположенного позади него, тем самым увеличивая его.

«Сильное гравитационное линзирование превращает скопления галактик в самые мощные телескопы природы», — заявил Сейджи Фуджимото, руководитель программы VENUS и астрофизик из Университета Торонто. — «VENUS была создана для того, чтобы находить самые редкие события в далёкой Вселенной, и именно такие линзированные сверхновые — это тот феномен, который может открыть только такой подход».

SN Арес — первая линзированная сверхновая, обнаруженная в рамках программы VENUS. Взрыв произошёл почти 10 миллиардов лет назад, когда Вселенная была примерно в три раза моложе. Искривление пространства-времени, вызванное скоплением галактик MJ0308 на переднем плане, разделило свет от SN Арес на три изображения.

Одно изображение уже достигло наших телескопов. Но свет от двух других проходит гораздо ближе к массивному центру MJ0308, поэтому испытывает гораздо большее замедление из-за гравитационного замедления времени. Следовательно, два других изображения SN Арес прибудут примерно через 60 лет — что является беспрецедентной задержкой.

«Такая длительная ожидаемая задержка между изображениями сильно линзированной сверхновой никогда ранее не наблюдалась и даёт шанс на предсказательный эксперимент, который может наложить невероятно точные ограничения на космологическую эволюцию», — сказал Ларисон.

Тем временем, ожидается, что запаздывающее изображение SN Афины, которая вспыхнула, когда Вселенной было примерно половина её нынешнего возраста, достигнет нас в ближайшие год или два. Хотя она не будет столь же космологически точной, как её мифологический сводный брат Арес, Афина покажет, насколько точными стали наши предсказательные возможности.

Крайне необходимый естественный эксперимент

Предсказанное повторное появление этих сверхновых в сравнении с их фактическим временем прибытия в будущем позволит получить точные ограничения на скорость расширения Вселенной, известную как постоянная Хаббла.

Любопытно, что при измерении постоянной Хаббла космологи получают разные значения в зависимости от метода измерения — это расхождение известно как «напряжённость Хаббла». Расчёты, основанные на реликтовом излучении (самом древнем свете Вселенной, испущенном, когда космосу было всего 380 000 лет), дают скорость расширения в 67 километров в секунду на мегапарсек.

Однако расчёты, основанные на наблюдениях за пульсирующими цефеидами с помощью космического телескопа «Хаббл», которые используются в качестве «стандартных свечей» из-за их специфической светимости, дают значение 73 километра в секунду на мегапарсек.

В пределах наблюдаемой сферы космоса запаздывающие изображения от SN Арес и SN Афины могут помочь разрешить «напряжённость Хаббла».

«Если мы сможем измерить разницу во времени прибытия этих изображений, мы получим измерение физического масштаба системы линзирования, которая простирается через Вселенную между сверхновой и нами здесь, на Земле», — пояснил Ларисон в электронном письме Live Science. — «Любое подобное измерение расстояния во Вселенной говорит нам о том, как Вселенная эволюционировала за космическое время, поскольку эти расстояния напрямую зависят от этой эволюции».

Не менее важно, что линзированные сверхновые позволяют астрономам сделать это измерение «в один, внутренне согласованный шаг», добавил Ларисон. Временные задержки от этих сверхновых также дают независимый метод измерения — не связанный с реликтовым излучением или стандартными свечами вроде цефеид — в то время, когда такое измерение «крайне необходимо» для проверки «возможных неизвестных систематических эффектов», управляющих космологическим расширением.

От Большого взрыва к великой тайне

По совпадению, 60 лет прошло с тех пор, как впервые было официально предложено использовать линзированные сверхновые как инструмент для изучения расширения Вселенной. Однако до начала наблюдений по программе VENUS было обнаружено менее 10 таких сверхновых.

«С момента начала работы VENUS в июле прошлого года мы обнаружили 8 новых линзированных сверхновых за 43 наблюдения, почти удвоив известную выборку за поразительно короткий срок», — сообщил Ларисон Live Science. — «Похоже, что, хотя линзированные сверхновые, безусловно, редки, реальным ограничением были возможности наблюдений. Только с появлением JWST мы достигли необходимой глубины и охвата волн, чтобы находить их массово, для чего VENUS и была создана».

В результате, линзированные сверхновые могут стать самым многообещающим инструментом в долгосрочной космологии — изучении того, как Вселенная менялась на протяжении своих 13,8 миллиардов лет существования.

Ответ пока висит в воздухе; нет гарантии, что расширение Вселенной продолжит ускоряться, особенно с учётом того, что тёмная энергия может ослабевать. Если это так, то нынешнее расширение космоса однажды может смениться сжатием, что будет иметь profound последствия для конечной судьбы Вселенной.

В конечном счёте, SN Арес и SN Афина могут намекнуть на возможную смерть Вселенной и на то, закончится ли она грохотом или шёпотом — схлопнется ли космос в «Большое сжатие» или будет расширяться бесконечно в разреженный, холодный мрак «Большого замерзания». Эти «призраки» прошлого, посылающие нам свой свет с опозданием в целые эпохи, станут ключом не только к пониманию скорости нашего космического путешествия, но и к предсказанию его конечного пункта.