Avlägsen supernovaexplosion observerad genom naturens eget teleskop

Galaxhopar: naturens teleskop

Galaxhopen Abell 2218
Figur 1: Galaxhopen Abell.Bild av galaxhopen Abell 2218 tagen med rymdteleskopet Hubble. Bågsegmenten som syns i figuren är bakgrundsgalaxer vars ljus bryts av gravitationslinsen från galaxhopen. Bilden kan användas dels för att bestämma massan i hopen, ju tyngre massa desto starkare lins, och dels för att studera ljussvaga galaxer och andra astronomiska föremål i bakgrunden.

Galaxhopar, de största astronomiska objekten i skyn, fungerar som kosmiska linser som fokuserar ljuset från avlägsna källor, vilka annars inte hade kunnat observeras med tillgängliga teleskop. Gravitationslinsning som fenomenet kallas p.g.a. dess likhet med optiska linser, är en direkt följd av Einsteins gravitationsteori som beskriver hur ljusbanor böjs i närheten av extremt tunga objekt. Galaxhopar innehåller hundratals galaxer som i sin tur är uppbyggda av flera miljarder stjärnor. I de mest extrema fallen väger galaxhopar över 1015 gånger mer än solen, och innehåller stora mängder “Mörk Materia “, som ger sig till känna genom gravitationella effekter, men som inte växelverkar elektromagnetiskt och därför vare sig kan absorbera eller emittera ljus.

Tack vare denna gigantiska massa kan hopar som Abell 2218 i Figur 1 kraftigt deformera och förstärka bilderna av bakomliggande galaxer som avtecknar sig som cirkelsegment runt galaxhopen. Den förvrängda bilden ger ett mått på galaxhopens massa och är därför mycket användbar för att undersöka “Mörk Materia “, som hitttills bara har kunnats undersökas indirekt, dvs genom dess påverkan av synlig materia såsom stjärnor, galaxer och gas.

Det avlägsna universum blir synligt

Principen för gravitationslinsning.
Figur 2:Schematisk bild på hur galaxhopar fungerar som förstoringslinser för studier av bakomvarande galaxer. Ljusbanor från bakgrundsobjekt böjs och fokuseras av galaxhopens gravitationsfält, ett resultat av den enorma massan i hopen (∼ 1015solmassor) som till stor del utgörs av mörk materia.

Området kring supernovan.
Figur 3.Bild i infraröda våglängder som anger supernovans position samt konturlinjer för linsningsmagnifikation. Gula kurvan närmast supernovan (se pilen) anger regionen som förstoras med 2 astronomiska magnituder, vilket motsvarar en faktor 6 i ljusförstärkning.
Med hjälp av gravitationslinsning från galaxhopar kan ljusflödet från bakomliggande galaxer och deras stjärnor förstärkas upp till 40 gånger, dock bara inom en begränsad rymdvinkel på 1-2 bågminuter från hopens mittpunkt, se Fig.2. Europas nu största teleskop, de fyra så kallade Very Large Telescopes (VLT), är utrustade med var sin spegel med en diameter på 8 meter. Med hjälp av linsningseffekten motsvaras ljusinsamlingen runt galaxhopen av vad man kunde få men en 50-meter spegel, större än de framtida teleskop som nu diskuteras. Tack vare den dramatiskt ökade ljusinsamlingen kan vi alltså redan idag upptäcka astronomiska objekt som är för ljussvaga för att detektera med dagens teknologi. I artiklarna av Goobar m.fl (2009) och Stanishev m.fl (2009) användes IR-bilder från ISAAC (Infrared Spectrometer And Array Camera) vid VLT samt gravitationslinsningen från galaxhopen Abell 1689 för att hitta en relativt ljussvag typ av supernovaexplosioner (platå-SN, SNII-P) vid en rödförskjutning z=0.6 (motsvarande ett avstånd på ca 6 miljarder ljusår), den mest avlägsna SNII-P som hittills observerats. Supernovans position visas i Fig.3 och dess ljuskurva (intensitet som funktion av tid) i Fig.4. Utan galaxhopens förstärkning hade denna supernova inte kunnat upptäckas med samma instrument.

Genombrott?

Supernovans ljuskurva i fyra olika färgfilter.
Figur 4 Mätpunkter för den nyupptäckta linsade supernovan i (fyra olika filter (I,J,SZ och z)) visas tillsammans med motsvarande ljuskurvor (heldragna kurvor) för närliggande Typ II-P supernovan SN2001cy, efter att dess ljusstyrka anpassats för att beskriva en källa vid z=0.6. Filtren täcker våglängdsintervallet från ca 0.7 till 1.4 mikrometer.
Projektet som leds av Ariel Goobar, Fysikum, fortsätter, nu med den nio gånger större HAWK-I kameran (High Acuity Wide-field K-band Imager) på VLT, och fler linsade supernovor är att vänta. HAWK-I är uppbyggd som en mosaik av fyra stycken HgCdTe IR-detektorer med 2048 x 2048 pixlar och täcker en rymdvinkel på 7.5 x 7.5 bågminuter i kvadrat. Forskargruppen tar också bilder från NOT (Nordic Optical Telescope) i optiska våglängdsområdet av galaxhopen A1689, med en månads mellanrum

Ansvarig för bildanalysen är Rahman Amanullah (postdoc vid Fysikum) med hjälp av två tidigare postdocs vid institutionen, Kerstin Paech (nu vid Bonns Universitet) och Vallery Stanishev (nu Lissabons Universitet). Mest intressant är om man hittar Typ Ia supernovor, vid ännu större avstånd. Dessa stjärnexplosioner används som standardljuskällor för att mäta universums expansionshistoria och ledde för 10 år sedan till upptäckten av “Mörk Energi ” som tycks accelerera universums expansion. Förhoppningsvis kan man med hjälp av galaxhopar utöka de epoker av universum som kan vara inom räckhåll för att studera expansionen, vilket skulle vara ett genombrott i försöken att undersöka “Mörka Energins ” natur. Ännu mera spektakulär är tanken att man kanske snart får se den första multipla bilden av en supernova, d.v.s. ljuset av en och samma explosion som når oss från olika sidor om linsen. Tidsskillnaden mellan ljusknippens ankomsttider kan användas för att mäta Hubblekonstanten med stor precision, och därmed förbättra vår kunskap om universums ålder.

Originalpublikationer
V. Stanishev et al: Near-IR Search for Lensed Supernovae Behind Galaxy Clusters – I. Observations and Transient Detection Efficiency Ref.: Astronomy and Astrophysics 507 (2009) 61-69, November 2009 [arXiv:0908.4176 [astro-ph.CO]]

A. Goobar et al.: Near-IR Search for Lensed Supernovae Behind Galaxy Clusters – II. First Detection and Future Prospects Ref.: Astronomy and Astrophysics 507 (2009) 71-83, November 2009 [arXiv:0810.4932 [astro-ph]]

Ariel Goobar – (ariel@fysik.su.se)

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *