Harvinainen gravitaatiolinssi näyttää kaukaisen supernovan viitenä kuvana

Yli kymmenen miljardin valovuoden päässä Maasta sijaitsevan Winny-supernovan räjähdys voi tuottaa uutta tietoa maailmankaikkeuden laajenemisvauhdista.

Gravitaatiolinssi on kosminen ilmiö, jossa painovoima taivuttaa valoa ikään kuin vahvistaen sitä optisen linssin tavoin. Viime vuonna havaittu gravitaatiolinssi antoi meille kuvan kaukaisesta supernovasta, joka nimettiin Winnyksi.

 

Satelliittikuva näyttää Winny-supernovan räjähdyksen valon taittuvan viiteen kertaan (A-E) kahden gravitaatiolinssinä toimivan galaksin (G1 ja G2) voimasta. Kuva: SN Winny Research Group.

Havainnon teki kansainvälinen HOLISMOKES -yhteistyöverkosto , jonka Kaliforniassa sijaitseva The Zwicky Transient Facility -observatorio havaitsi supernovan ensimmäisenä.

Tutkijatohtori Stefan Schuldt huomasi Winnyn valon kulkeutuneen gravitaatiolinssin kautta. Tarkempien havaintojen tekoa jatkettiin Suomen ja muiden Pohjoismaiden ylläpitämällä Nordic Optical -teleskoopilla (NOT). Se paljasti kohteen olevan hyvin harvinainen supernovatyyppi ja sijaitsevan yli 10 miljardin valovuoden etäisyydellä Maasta.

Tämä on poikkeuksellisen suuri etäisyys havaitulle supernovalle. Tähtitieteilijät mittaavat tällaisia etäisyyksiä sen perusteella, kuinka paljon valo on venynyt ja punasiirtynyt matkansa aikana maailmankaikkeuden laajenemisen vuoksi. Näin ilmaistuna galaksin etäisyys vastaa punasiirtymää 2,01.

Gravitaatiolinssissä kaukaisesta kohteesta, kuten supernovasta, tuleva valo kohtaa toisen galaksin kulkureitillään kohti Maata. Silloin lähemmän galaksin gravitaatiokenttä toimii linssinä, joka taivuttaa ja vahvistaa kauempaa tulevaa valoa. Samalla valo taipuu linssissä niin, että Winny näkyy sen kautta viitenä erillisenä kuvana. 

Supernovaräjähdyksien monistamat kuvat gravitaatiolinsseissä [1] ovat erittäin harvinaisia. Ennen viime vuonna tehtyä havaintoa tunnettiin vain kaksi tapausta, joissa yksittäinen galaksi aiheutti linssin – eikä kumpikaan niistä soveltunut kosmologisiin tutkimuksiin.

Winnyn kohdalla tilanne on toisin.

”Gravitaatiolinssi taittoi Winnyn räjähdyksen tuottaman valon maapallolle viittä eri reittiä. Samalla jokainen niistä on hieman eri mittainen”, selittää tohtori Stefan Schuldt. Hän työskentelee tutkijatohtorina Suomen ESO-yhteistyön tähtitieteen keskuksessa ja Helsingin yliopistossa. Schuldt on mukana myös HOLISMOKES-yhteistyössä.

”Reittien aikaerojen ansiosta voimme mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta”, hän jatkaa.

Ensimmäisissä havainnoissa Winnystä saatiin vain neljä kuvaa, mutta tuoreimmat havainnot ovat paljastaneet viidennen. Se on ratkaisevan tärkeä, sillä useampi reitti antaa lisätietoa maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden entistä tarkempaan mittaamiseen. Laajenemisnopeutta kuvataan Hubblen vakiolla, mutta sen tarkasta arvosta on ristiriitaisia laskemia.

”Gravitaatiolinssin antamat viisi kuvaa Winnysta antavat lisätietoa aiheesta”, arvio Schuldt.

Tämän erikoislaatuisen järjestelmän lisäanalyysi on nyt käynnissä. Tavoitteena on uusi, riippumaton Hubblen vakion mittaus mahdollisesti vielä tämän vuoden kuluessa.

Winny-supernovasta kertova tuore artikkeli on julkaistu Astrophysics and Astronomy -lehdessä.

…

[1] Gravitaatiolinssit – harvinaisuus vai yleinen ilmiö?

KAK – Helsingin yliopiston tiedote (19.2.2026) totesi, että gravitaatiolinssit olisivat “erittäin harvinaisia” ja että ennen viime vuoden havaintoa tunnettiin “vain kaksi” linssitapausta. Tämä saattaa olla kuitenkin hieman harhaanjohtavaa, sillä linssit yleensä ovat varsin yleinen ilmiö. 

Kaavio gravitaatiolinssin synnystä. Valon kulkureitti kaareutuu massiivisen kohteen ohituksessa.  Oranssit nuolet osoittavat taustalähteen näennäisen sijainnin. Valkoiset nuolet osoittavat valon kulkureitin lähteen todellisesta sijainnista. Riippuen gravitaatiolinssin muodosta tuloksena voi olla kaukaisemman kohteen kuva, jonka muoto voi olla rengas, pisteitä ja osittaisia kaaria. Kuva hubblesite.org/archive/2000/07 via en.wikipedia.

Tiedotteessa ei tarkoitetut kaikkia gravitaatiolinssejä, vaan nimenomaan galaksien aiheuttamia linssejä, joissa kaukaisesta supernovasta syntyy useita erillisiä kuvia. Winny-supernovan tapauksessa havaittiin viisi monistunutta kuvaa. Aiemmin vastaavia galaksin aiheuttamia linssejä tunnettiin vain muutamia (esim. SN iPTF16geu ja SN Zwicky) – siksi tiedotteessa kerrotiin kahdesta tapauksesta.

Gravitaatiolinssi syntyy, kun massiivinen etualan objekti (galaksi tai galaksiryhmä) taivuttaa taustalla olevan kohteen valoa ja monistaa kuvan. Yleisimmillään havaitaan pitkiä kaaria tai Einsteinin renkaita kaukaisten galaksien ympärillä. Tällaisia kohteita on havaittu satoja ja uusia löydetään koko ajan.

Jo vuonna 2021 yhdistelmätutkimus (DESI Legacy Imaging Surveys) löysi yli 1 200 uutta gravitaatiolinssiä, moninkertaistaen silloin tunnettujen (~300) linssien määrän. Käytännössä tunnettuja ja vahvistettuja linssijärjestelmiä on tuhansia (ja määrä kasvaa jatkuvasti) ja linssi-ilmiöitä saattaa olla jopa 500 000.

Yleisissä kartoissa linssien osuus on pieni: esimerkiksi vain ~1/10 000 suurista galakseista toimii voimakkaana linssinä. Siksi yksittäiset linssijärjestelmät eivät ole arkipäivää, mutta kun taivaalta katsotaan miljoonia galakseja, linssikohtia kertyy paljon.

Käyttämällä pieniä syvän taivaan otoksia koko taivaalle laajennettuna on saatu arvioita gravitaatiolinssi-ilmiön kokonaismääristä. Esimerkiksi NASA:n COSMOS-tutkimus havaitsi 1,6 neliöasteen alueelta 67 linssiä, josta päättelemällä koko taivaalla voisi olla noin 0,5 miljoonaa vastaavaa kohdetta.

Tulevat laajat kartoitusprojektit ennustavat kymmeniä tuhansia uusia havaintoja: ESA:n Euclid-teleskooppi löytää arviolta 100 000 galaksilinssejä koko taivaalta, Rubin Observatory (LSST) noin 60 000 – 120 000 ja Roman-teleskooppi vielä noin ~160 000 linssiä. Nämä ennusteet todistavat, että linssijärjestelmiä odotetaan löytyvän useita kymmeniä tai satoja tuhansia.

 

Lähteet:

Winny-tutkimuksen tiedote Helsingin yliopistolta;

Sachs, Huang ym. 2021 (noirlab/AURA); Linkki

NASA Hubble/COSMOS-linssitutkimus; Linkki

Euclid-, LSST- ja Roman-määräennusteet. Linkki

 

Webb-teleskoopin ottamat ensimmäiset kuvat julkaistiin

Webb teleskooppi yhtymä (NAS, ESA ja CSA) julkaisi ensimmäiset värilliset kuvat, jotka on otettu heinäkuun alussa teleskoopin hienovirityksen tultua tehdyksi. Julkaistu kuvapaketti sisältää parisen kymmentä eri havaintolaitteilla tuotettua kuvaa infrapunaisella aallonpituudella. Kuvien erotuskyky on vähintään yhtä hyvä kuin Hubblella otettujen kuvien mutta useimmiten selkeästi parempi kuin koskaan tähän mennessä infrapunaisella aallonpituuksilla otettujen kuvien.

Kuvapaketti on sen verran laaja, että kaikkien kuvien käsittely yhdessä artikkelissa ei ole järkevää, joten Avaruusmagasiini palaa yksittäisiin kuviin omilla artikkeleillaan lähiviikkoina.

Webbin syväkenttäkuva. Kuva NASA/ESA/CSA.

 

SMACS 0723

Webbin syväkenttäkuva on otettu galaksijoukosta SMACS 0723 Lentokalan tähdistöstä eteläiseltä tähtitaivaalta. Alueella on tuhansia galakseja ja osa niistä toimii gravitaatiolinsseinä. Gravitaatiolinssi vahvistaa vielä kauempana olevien galaksien kuvia, tosin samalla vääristäen niitä. Joka tapauksessa nämä gravitaatiolinssin synnyttävät kuvat ovat valoa, joka lähti matkaan maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kuva on otettu Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) instrumentilla ja se on koottu useasta eri ir-aallonpituudesta, joiden yhteinen valotusaika on 12,5 tuntia. Itse galaksijoukko (SMACS 0723) sijaitsee ”vain 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä ja joukon edessä ja takan on lisää galakseja eri etäisyyksillä.

Kuvassa on nähtävissä kaukaisten galaksien rakenteita, joita aikaisemmin ei ole pystytty näkemään. Nyt näkyviin tulleet rakenteet ovat tietysti hyvin varhaisesta galaksien kehitysvaiheesta, joten ne saattavat näyttää primitiiviltä.

NIRSpec-laitteiston tuottama spektri 13,1 miljardin valovuoden takaisesta galaksista. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kuvien lisäksi NIRCAM tuottaa spektrejä. Uutena menetelmänä Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) tuottaa spektrejä useista eri kohteista, tästä kuvasta jopa 48 galaksin spektrit samanaikaisesti. Tämä on mahdollista, koska laitteistossa on mikrosuljinjärjestelmä, jollaista ei aikaisemmin ole avaruudessa käytetty.

Hubble havaitsi kaukaisimman tunnetun tähden

ESO Tiedejulkaisu 30. maaliskuuta 2022

NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskooppi on luonut poikkeuksellisen uuden vertailukohdan: se on havainnut ensimmäisen miljardin vuoden aikana maailmankaikkeuden syntymän jälkeen universumin alkuräjähdyksessä olemassa olleen tähden valoa – kaukaisimman koskaan nähdyn yksittäisen tähden valoa.

Havainto on valtava harppaus ajassa taaksepäin verrattuna edelliseen yhden tähden ennätykseen, jonka Hubble havaitsi vuonna 2018. Tuo tähti oli olemassa, kun maailmankaikkeus oli noin 4 miljardia vuotta vanha, eli 30 prosenttia nykyisestä iästä. Tähden punasiirtymä on 1,5.

Toistaiseksi kaukaisin havaittu tähti on merkitty kuvaan nuolella. Sen kuva on vahvistunut ja suurentunut gravitaatiolinssin vaikutuksesta siten, että se on tullut Hubblella havaittavaksi. Ilman gravitaatiolinssiä emme näkisi hyvin varhaisesta maailmankaikkeudesta mitään. Hubble ei pysty havaitsemaan hyvin voimakkaasti punasiirtynyttä tähden valoa kovinkaan tehokkaasti. Sen sijaan kesällä toimintansa aloittava James Webb avaruusteleskooppi pystyy tekemään tästäkin kohteesta hyvin monipuolisia havaintoa. Kuva NASA, ESA, B. Welch (JHU), D. Coe (STScI), A. Pagan (STScI).  

 
Äskettäin havaittu tähti on niin kaukana, että sen valon saapuminen Maahan on kestänyt 12,9 miljardia vuotta. Valo lähti matkaan, kun maailmankaikkeus oli vain 7 prosenttia nykyisestä iästään ja tähden punasiirtymä on 6,2. Pienimmät ja himmeimmät kohteet, jotka aiemmin nähtiin näin suurelta etäisyydeltä, ovat olleet tähtijoukkoja varhaisissa galakseissa.

"Emme uskoneet sitä aluksi, se oli niin paljon kauempana kuin edellinen kaukaisin, suurimman punasiirtymän tähti ", sanoi tähtitieteilijä Brian Welch Johns Hopkins -yliopistosta Baltimoresta. Hän on löytöä kuvaavan Nature-tiedejulkaisussa julkaisun pääkirjoittaja. Löytö tehtiin tiedoista, jotka kerättiin Hubblen RELICS-ohjelman (Reionization Lensing Cluster Survey) aikana, jota johti toinen kirjoittaja Dan Coe Space Telescope Science Institutesta (STScI).

"Normaalisti näillä etäisyyksillä kokonaiset galaksit näyttävät pieniltä tahroilta, miljoonien tähtien valo sekoittuu yhteen", Welch sanoi. "Tätä tähteä isännöivä galaksin kuva on suurennettu ja vääristynyt gravitaatiolinssien avulla pitkäksi puolikuuksi, jolle annoimme nimen Auringonnousukaari.” Tutkittuaan galaksia yksityiskohtaisesti Welch päätteli, että sen yksi piirre on erittäin suurentunut tähti, jota hän kutsui Earendeliksi, mikä tarkoittaa "aamutähteä" vanhalla englannin kielellä. Löytö on lupaus tuntemattoman, hyvin varhaisten tähtien muodostumisen aikakauden avauksesta.

"Earendel oli olemassa niin kauan sitten, että siinä ei ehkä ollut kaikkia samoja alkuaineita kuin ympärillämme olevilla tähdillä nykyään", Welch selitti. "Earendelin tutkiminen on ikkuna universumin aikakauteen, jota emme tunne, mutta joka johti kaikkeen siihen mitä nykyisin tiedämme. Tuntuu kuin olisimme lukeneet todella mielenkiintoista kirjaa, mutta aloittaneet toisesta luvusta, ja nyt meillä on mahdollisuus nähdä, miten kaikki sai alkunsa”, Welch sanoi.

"On olemassa pitkäaikainen teoreettinen ennuste, että tähtien, jotka muodostuvat yksinomaan alkuräjähdyksen jälkeen syntyneistä alkuaineista – vedystä, heliumista ja vähäisistä määristä litiumia – pitäisi olla massiivisempia kuin nykyään muodostuvat tähdet", lisäsi ryhmän jäsen Erik Zackrisson, Uppsalan yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta. "Nämä ikiaikaiset tähdet, jotka tunnetaan populaatio III -tähtinä, ovat toistaiseksi jääneet havainnoijien ulkopuolelle, mutta ne voivat tulla havaittaviksi, jos niiden kuvat suurentuvat gravitaatiolinssin vaikutuksesta, kuten Earendel tapauksessa.”

Tutkimusryhmä arvioi, että Earendel on vähintään 50 auringonmassainen ja miljoonia kertoja kirkkaampi, mikä kilpailee massiivisimpien tunnettujen tähtien kanssa. Mutta edes tällaista loistavaa, erittäin suurimassaista tähteä olisi mahdoton nähdä niin suurelta etäisyydeltä ilman valtavan galaksijoukon, tässä tapauksessa WHL0137-08, joka sijaitsee meidän ja Earendelin välissä, tuottaman luonnollisen suurennuksen avulla. Galaksijoukon massa vääntää avaruuden kudosta luoden voimakkaan suurennuslasin, joka vääristää ja vahvistaa suuresti takanaan olevien kaukaisten kohteiden valoa.

Tämä ilmiö saa Earendel-tähden ponnahtamaan ulos kotigalaksinsa yleisestä hehkusta. Sen kirkkaus suurentuu tuhatkertaisesti tai enemmän. Tässä vaiheessa tähtitieteilijät eivät pysty määrittämään, onko Earendel kaksoistähti, mutta useimmissa massiivisissa tähdissä on ainakin yksi pienempi tähtikumppani.

Tähtitieteilijät odottavat, että Earendel pysyy erittäin suurena tulevina vuosina. NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope [1] havaitsee sitä myöhemmin vuonna 2022 [2]. Webbin suurta herkkyyttä infrapunavalolle tarvitaan saadaksemme lisätietoja Earendelistä, koska sen valo venyy (punasiirtymä) pitemmille infrapuna-aallonpituuksille universumin laajenemisen seurauksena.

"Webin kuvien ja spektrien avulla voimme vahvistaa, että Earendel on todella tähti, ja määrittää sen ikä, lämpötila, massa ja säde", selitti tiimin jäsen Jose Maria Diego Espanjan Instituto de Física de Cantabriasta. "Hubblen ja Webbin havaintojen yhdistäminen antaa meille mahdollisuuden tutkia myös galaksijoukon mikrolinssejä, jotka voivat sisältää eksoottisia kohteita, kuten muinaisia mustia aukkoja. ”

Earendelin koostumus kiinnostaa suuresti tähtitieteilijöitä, koska se muodostui ennen kuin maailmankaikkeus täyttyi peräkkäisten massiivisten tähtien sukupolvien tuottamilla raskailla alkuaineilla. Jos seurantatutkimukset osoittavat, että Earendel koostuu vain alkuperäisestä vedystä ja heliumista, se olisi ensimmäinen todiste legendaarisista populaatio III -tähdistä, joiden oletetaan olevan ensimmäisiä alkuräjähdyksen jälkeen muodostuneita tähtiä. Vaikka todennäköisyys on pieni, Welch myöntää, että se on silti houkutteleva.

"Webillä saatamme nähdä tähdet jopa kauempana kuin Earendel, mikä olisi uskomattoman jännittävää", Welch sanoi. "Palaamme ajassa niin pitkälle taaksepäin kuin voimme. Haluaisin nähdä Webbin rikkovan Earendelin etäisyysennätyksen.”

 

Huomautuksia

[1] James Webb avaruusteleskooppi laukaistiin avaruuteen joulukuussa 2021 Ariane 5 -raketilla Euroopan avaruuskeskuksesta Ranskan Guayanasta. James Webb Space Telescope on kansainvälinen projekti, jota NASA johtaa yhteistyössä ESAn ja Kanadan avaruusjärjestön kanssa.

[2] Earendeliä tullaan havaitsemaan James Webb -avaruusteleskoopilla osana sen havainnointiohjelmaa.

Maan kokoinen vaeltava planeetta havaittu

Aurinkokunnan ja muidenkin planeettoja sisältävien tähtijärjestelmien synty tuottaa myös tähtien väliseen avaruuteen vaeltavia planeettoja. Ne eivät siis kierrä mitään erityistä tähteä ja koska ne eivät itse tuota valoa, niiden havaitseminen on hyvin vaikeaa.

Havainnekuva vaeltavasta planeetasta. Kuva NASA/ JPL-Caltech/ R. Hurt (Caltech-IPAC).

Tutkijat ovat kuitenkin keksineet keinon miten tällaisistakin planeetoista saadaan havaintoja, vaikkakin hyvin suppeasti. Kyseinen menetelmä on nimeltään mikrolinssi, siis gravitaatiolinssin vähäisempi muoto. Kun planeetta kulkee jonkin tähden editse, se kirkastaa tähden valoa enintään muutamiksi tunneiksi. Jos tarkasteltavana olisi vain yksi tähti, kuluisi varmaankin miljoonia vuosia ennen kuin joku satunnainen ohikulkeva planeetta kirkastaisi sen valoa hetkeksi. Jotta tutkijat eivät joutuisi odottelemaan näin pitkään, havaitsemalla miljoonia tai kymmeniä miljoonia tähtiä samanaikaisesti, jolloin mikrolinssin aiheuttama kirkastuminen voidaan havaita aivan kohtuullisessa ajassa.

Havainnot isojen vaeltavien planeettojen osalta voivat olla hieman helpompia kuin pienten planeettojen aiheuttamat kirkastumiset. Tutkijat arvioivatkin, että havaitut kirkastumiset ovat suurimmaksi osaksi 2 – 40 Jupiterin massaisten planeettojen aiheuttamia. Tarkkaan ottaen yli 13 Jupiterin massaiset kappaleet ovat ruskeita kääpiötähtiä, mutta ne ovat yhtä vaikeita havaittavia kuin varsinaiset planeetat.

Tutkijat^[1] ovat käyttäneet Varsovan yliopiston Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) -laitteistoa ja havainneet Linnunradan keskialueen suunnassa tähtien kirkastumisia. He ovat jo löytäneet ainakin 17 eksoplaneettaa vuodesta 1992 lähtien. Kesäkuussa 2016 tutkijat havaitsivat lyhyen, vain 41,5 minuuttia kestäneen kirkastumisen (OGLE-2016-BLG-1928) noin 27 000 valovuoden etäisyydellä Linnunradan keskustasta.

Tutkijat pystyivät osoittamaan, että mikrolinssin^[2] aiheuttanut kohde ei ollut ainakaan 8 au lähempänä kirkastunutta tähteä. Tutkijat pitävät todennäköisenä sitä, että kirkastumisen aiheutti hyvin pieni vaeltava planeetta, jonka massa on suunnilleen sama kuin maapallolla. Planeetan massaa on mahdotonta määritellä tarkasti mutta kirkastumisen kesto antaa ainakin jonkinlaisen ylärajan, tässä tapauksessa se on noin 1,5× maapallon massa.

Kuinka paljon vaeltavia planeettoja on olemassa omassa Linnunradassamme? Vastausta on vaikea antaa mutta tutkijoiden valistunut arvaus on miljardeissa, mahdollisesti jopa yhtä paljon kuin on tähtiä. Suurin osa näistä vaeltajista on tietysti hyvin pieniä ja ne jäävät havaittavuusrajan alapuolelle mutta, kuten puolalaistutkimus osoittaa, vähintään maapallon massaisia on mahdollista havaita.

Nasan Nancy Grace Roman Space Telescope^[3], joka laukaistaan vuonna 2025, tulee olemaan paljon herkempi havaintolaite kuin puolalaisten kolmekymmentä vuotta vanha laitteisto. Avaruuskaukoputken odotetaan havaitsevan hyvin paljon enemmän vaeltavia planeettoja.

 

Huomautukset

[1] Tutkimus julkaistiin The Astrophysical Journal Letters -tiedejulkaisussa 29.10.2020 otsikolla A Terrestrial-mass Rogue Planet Candidate Detected in the Shortest-timescale Microlensing Event ja tutkimuksen tekijöinä olivat mm. Przemek Mróz (California Institute of Technology), Radosław Poleski, Andrew Gould, Andrzej Udalski, Takahiro Sumi, Michał K. Szymański, Igor Soszyński, Paweł Pietrukowicz, Szymon Kozłowski sekä vielä muitakin.

[2] Gravitaatiolinssi-ilmiössä mikä tahansa massakeskittymä (galaksi, tähti, planeetta, kuu jne.) aiheuttaa valosäteiden taipumisen hieman samaan tapaan kuin valonsäteet taipuvat optisessa linssissä. Gravitaatiolinssi ei yleensä tuota selkeää vaan vääristyneen kuvan (useita kuvia) tai pelkästään vahvistaa vielä etäämpänä olevan valonlähteen valoa.

[3] Presidentti Trump on yrittänyt keskeyttää avaruusteleskoopin kehittelyn budjettiesityksissään siinä kuitenkaan onnistumatta. Senaatti on hyväksynyt jatkorahoituksen ja nyt NASA on suunnitellut käyttävänsä noin 4 miljardia dollaria avaruuskaukoputken rakentamiseen ja viisi vuotiseksi suunniteltuun toiminta-aikaan.

 

Uusi tutkimus Hubblen vakion arvosta

Hubble-avaruus teleskooppia käyttävä tähtitieteilijöiden ryhmä on mitannut maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tekniikalla, joka on täysin riippumaton aikaisemmasta menetelmästä.

Tarkan Hubblen vakion tunteminen on tärkeä kosmoksen iän, koon ja kohtalon määrittämiseksi. Tämän mysteerin ratkaiseminen on ollut viime vuosien suurimpia astrofysiikan haasteita. Uusi tutkimus lisää käsitystä siitä, että uusia teorioita voidaan tarvita selittämään, mitä tutkijat ovat havainneet.

Jokainen näistä Hubble-avaruusteleskoopin tilannekuvista paljastaa neljä vääristynyttä kuvaa taustakvasaarista. Kuva NASA, ESA, SH Suyu (Max Planckin astrofysiikan instituutti.

Tutkijoiden tulokset vahvistavat edelleen eroa maailmankaikkeuden laajentumisnopeuden (jota kuvataan Hubblen vakiolla) eri tutkimusten välillä. Lasketun Hubblen vakion ero paikallisuniversumin mittausten ja varhaisen maailmankaikkeuden taustasäteilyn perusteella ennustetun nopeuden välillä on merkittävä.

Uusimman tutkimuksen tulos edustaa tarkinta mittausta ja se perustuu gravitaatiolinssimenetelmään, jossa etualalla sijaitsevan galaksin painovoima toimii kuin jättiläinen suurennuslasi, vahvistaen ja vääristäen taustakohteista tulevaa valoa. Tutkimuksessa ei luotettu perinteiseen "kosmisen etäisyyden tikkaisiin" -menetelmään, jossa mitataan etäisyyksiä galakseihin käyttämällä erityyppisiä tähtiä "virstanpylväinä". Sen sijaan tutkijat käyttivät gravitaatiolinssien fysiikkaa maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden laskemiseksi.

Uudet Hubblen vakion mittaukset tehnyt tutkimusryhmä on nimeltään H0LiCOW (H0-linssit COSMOGRAILin Wellspringissä). COSMOGRAIL on lyhenne gravitaatiolinssien kosmologisesta seurannasta, suuri kansainvälinen projekti, jonka tavoitteena on gravitaatiolinssien seuranta. "Wellspring" viittaa kvasaarilinssijärjestelmien runsaaseen tarjontaan.

Tutkimusryhmä laski Hubblen vakion H0LiCOW-arvon tarkkailu- ja analysointitekniikoilla, joita on parannettu huomattavasti kahden viimeisen vuosikymmenen aikana.

H0LiCOW ja muut viimeaikaiset mittaukset viittaavat nopeampaan laajentumisnopeuteen paikallisuniversumissa, kuin mitä odotettiin perustuen Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitin havaintoihin kosmisen taustasäteilystä yli 13 miljardia vuotta sitten.

Näiden kahden arvon välisellä erolla on tärkeitä vaikutuksia maailmankaikkeuden taustalla olevien fysikaalisten parametrien ymmärtämiseen, ja se voi vaatia uutta fysiikkaa eroavuuksien huomioon ottamiseksi.

"Jos nämä tulokset eivät ole samoja, se voi olla vihje, että emme vielä ymmärrä täysin kuinka aine ja energia kehittyivät ajan myötä, etenkin varhaisina aikoina", sanoi H0LiCOW-ryhmän johtaja Sherry Suyu Max Planckin astrofysiikan instituutista Saksassa, Münchenin tekninen yliopisto ja Academia Sinica -astronomian ja astrofysiikan instituutti Taipeissa, Taiwanissa.

Kuinka se tehtiin

H0LiCOW-ryhmä käytti Hubblea havaitsemaan kuuden kaukaisen kvasaarin valoa. Kvaasarit ovat ihanteellisia kohteita monista syistä; esimerkiksi, ne ovat kirkkaita, erittäin kaukana ja hajallaan taivaalla. Tutkimuksessa havaittiin sitä, kuinka kunkin kvasaarin valo jakaantui neljään kuvaan massiivisen etualan galaksin gravitaatiokentässä. Tutkitut galaksit ovat 3 miljardin - 6,5 miljardin valovuoden etäisyydellä ja kvasaarien keskimääräinen etäisyys on 5,5 miljardia valovuotta maasta.

Kunkin kvasaarin kuvan valonsäteet kulkevat hiukan erilaisella reitillä avaruuden läpi päästäkseen Maahan. Polun pituus riippuu aineen määrästä, joka vääristää avaruutta näkölinjaa pitkin kvasaarista Maahan. Kunkin reitin jäljittämiseksi tähtitieteilijät tarkkailevat kvasaarin valon välkkymistä. Kun valo välähtää, kukin linssin muodostama kuva kirkastuu eri aikaan.

Ymmärtääkseen nämä viiveet kokonaan, ryhmä käytti aluksi Hubblea laatimaan tarkat kartat aineen jakautumisesta kussakin linssigalaksissa. Tähtitieteilijät voivat sitten luotettavasti laskea etäisyydet galaksista kvasaariin ja Maasta galaksiin ja edelleen kvasaariin. Vertaamalla näitä etäisyysarvoja tutkijat mittasivat maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta.

Tutkijat laskivat Hubblen vakion arvoksi 73 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden (±2,4%). Ryhmän mittaus on myös lähellä Hubblen vakion arvoa 74 km/s/Mpc, jonka Supernova H0 (SH0ES) tutkimusryhmä, joka käytti kosmisen etäisyyden tikkaat -menetelmää, on laskenut. SH0ES-mittaus perustuu etäisyyksien mittaamiseen kaukana oleviin galakseihin käyttämällä kefeidie ja supernovien kirkkauksia etäisyyden määrittämiseksi.

SH0ES- ja H0LiCOW-arvot eroavat merkittävästi Planckin luvusta 67 km/s/Mpc , vahvistaen eroa nykyisen  maailmankaikkeuden Hubblen vakion ja varhaisen maailmankaikkeuden havaintoihin perustuvan ennustetun arvon välillä.

Vuonna 2012 aloitetulla H0LiCOW-tiimillä on nyt kuvat ja aikaviiveet 10 kvasaarille. Ryhmä jatkaa uusien kvasaarien etsimistä ja seurantaa yhteistyössä kahden uuden ohjelman tutkijoiden kanssa. Ensimmäinen ohjelma on nimeltään STRIDES (STRong-lensing Insights into Dark Energy Survey) ja siinä etsitään uusia gravitaatiolinssien tuottamia kvasaarien kuvia. Toinen ohjelma on nimeltään SHARP ja siinä käytetään WM Keck-teleskooppien adaptiivista optiikkaa gravitaatiolinssien kuvaamiseksi. Ryhmän tavoitteena on tarkkailla yli 30 kvasaarijärjestelmää vähentääkseen tutkimuksen 2,4 prosentin epävarmuutta 1 prosenttiin.

NASAn tuleva James Webbin avaruusteleskooppi, jonka odotetaan aloittavan toimintansa vuonna 2021, voi auttaa tutkimusryhmiä saavuttamaan 1 % tarkkuustavoitteensa.

H0LiCOW-tiimin työ valmistelee myös tietä satojen linssikvasaarien havainnoille, joita tähtitieteilijät ovat löytäneet sellaisten tutkimusten avulla, kuten Dark Energy Survey ja PanSTARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) ja tulevan National Science Foundationin laaja Synoptic Survey Telescope, joiden odotetaan paljastavan tuhansia uusia gravitaatiolinssejä.

Edelleen NASAn laajakenttäinen infrapunateleskooppi (WFIRST) auttaa tähtitieteilijöitä ratkaisemaan Hubblen vakion arvoa jäljittämällä maailmankaikkeuden 

laajentumishistorian. Tehtävässä käytetään myös useita tekniikoita, kuten näytteenottoa tuhansista supernovista ja muista eri etäisyyksillä olevista kohteista, ​​jotta voidaan selvittää johtuuko ero mittausvirheistä, havainnointitekniikasta vai onko tähtitieteilijöiden mukautettava teoriaa, josta he johtavat ennusteita.