Astronomowie badający jedną z największych tajemnic wszechświata – tempo jego ekspansji – przygotowują się do zbadania tej zagadki w nowy sposób za pomocą Teleskopu Kosmicznego Nancy Grace Roman. Po wyniesieniu teleskopu w przestrzeń kosmiczną w maju 2027 r. astronomowie będą przeglądać tysiące zdjęć przestrzeni kosmicznej w poszukiwaniu eksplozji supernowych, które zostały powiększone przez soczewki grawitacyjne. To właśnie te rzadkie zdarzenia będzie można wykorzystać do pomiaru tempa rozszerzania wszechświata.
Astronomowie mają do dyspozycji kilka niezależnych sposobów mierzenia stałej Hubble’a. Problem jednak w tym, że różne techniki pomiaru dają różne wyniki. Różnica między nimi nazywana jest napięciem Hubble’a.
Duża część badań kosmologicznych prowadzonych przez Teleskop Roman będzie dotyczyć nieuchwytnej ciemnej energii, która wpływa na rozszerzanie się Wszechświata w czasie. Jednym z podstawowych narzędzi tych badań jest dość tradycyjna metoda, która porównuje jasność absolutną obiektów takich jak supernowe typu Ia z ich postrzeganą jasnością w celu określenia odległości.
Astronomowie mogliby też wykorzystać teleskop do badania supernowych powiększonych przez soczewki grawitacyjne. Ta metoda badania stałej Hubble’a różni się od metod tradycyjnych, ponieważ opiera się na metodach geometrycznych, a nie na jasności.
„Roman to idealne narzędzie, które pozwala na rozpoczęcie badań supernowych soczewkowanych grawitacyjnie. Są rzadkie i bardzo trudne do znalezienia. Musieliśmy mieć szczęście, że wykryliśmy kilka z nich wystarczająco wcześnie. Szerokie pole widzenia Romana i wielokrotne obrazowanie w wysokiej rozdzielczości ziększą szanse na ich znalezienie”.
– mówi Lou Strolger z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego (STScI) w Baltimore.
Korzystając z różnych istniejących już obserwatoriów, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble’a i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, astronomowie odkryli we wszechświecie zaledwie osiem supernowych za soczewkami grawitacyjnymi. Jednak tylko dwie z tych ośmiu były realnymi kandydatami do pomiaru stałej Hubble’a ze względu na rodzaj supernowych i czas trwania ich opóźnionego w czasie obrazowania.
Soczewkowanie grawitacyjne ma miejsce, gdy światło obiektu, na przykład wybuchu gwiazdy, w drodze na Ziemię przechodzi przez galaktykę lub gromadę galaktyk i zostaje zakrzywione przez silne pole grawitacyjne takiego obiektu. Światło to podąża różnymi ścieżkami i tworzy wiele obrazów supernowej na niebie.
W zależności od różnic pomiędzy ścieżkami, obrazy supernowych wydają się opóźnione o godziny, miesiące, a nawet lata. Dokładny pomiar różnicy w czasach przybycia pomiędzy wieloma obrazami prowadzi do powstania kombinacji odległości, które nakładają ograniczenia na stałą Hubble’a.
„Badanie tych odległości w zasadniczo inny sposób niż bardziej powszechne metody, w tym przypadku z wykorzystaniem tego samego obserwatorium, może pomóc rzucić światło na to, dlaczego różne techniki pomiarowe dają różne wyniki” – dodał Justin Pierel z STScI, współprowadzący program Strolgera .
Zakrojone na szeroką skalę badania za pomocą teleskopu Roman pozwolą na sporządzenie mapy Wszechświata znacznie szybciej niż Hubble. Nie ma w tym nic dziwnego, zważając na fakt, że teleskop ten będzie„obrazował” na jednym zdjęciu obszar ponad 100 razy większy od Hubble’a.
„Zamiast fotografować pojedyncze drzewa, nowy teleskop pozwoli nam zobaczyć cały las na jednym zdjęciu” – wyjaśnił Pierel.
W szczególności w ramach badania High Latitude Time Domain Survey będzie można wielokrotnie obserwować ten sam obszar nieba, co umożliwi astronomom badanie obiektów zmieniających się w czasie. Oznacza to, że trzeba będzie przejrzeć niezwykłą ilość danych — za każdym razem ponad 5 miliardów pikseli — w celu znalezienia tych bardzo rzadkich zdarzeń.
„Ponieważ są to rzadkie zjawiska, wykorzystanie pełnego potencjału supernowych soczewkowanych grawitacyjnie zależy od wysokiego poziomu przygotowania” – powiedział Pierel. „Chcemy, aby wszystkie narzędzia do wyszukiwania supernowych były gotowe od razu, abyśmy nie tracili czasu na przeglądanie terabajtów danych, gdy je otrzymamy”.
Przygotowanie będzie przebiegać w kilku etapach. Zespół utworzy system redukcji danych przeznaczony do automatycznego wykrywania supernowych soczewkowanych grawitacyjnie. Aby wyszkolić ten system, badacze przygotują symulowane obrazy ponad 50 000 soczewek. To będzie absolutna podstawa do dalszych prób rozwiązania zagadki stałej Hubble’a.