En internationell forskargrupp under ledning av Ariel Goobar vid Stockholms universitet kan för första gången visa bilder från en Typ Ia-supernova, där ljuset är kraftigt fokuserat av krökningen från gravitationen kring en galax i siktlinjen. Observationerna visar på en lovande ny teknik för att testa teorier för universums accelererande expansion, om gravitationen och om fördelningen av mörk materia i universum.

Vi har upptäckt ett väldigt sällsynt fenomen: en supernova vars ljus färdas genom en annan galax, halvvägs mellan den exploderande stjärnan och jorden. Observationerna bekräftar vad Einsteins förutsade för mer än 100 år sedan och som utgör en av grundpelarna i hans mästerverk, Allmänna Relativitetsteorin: rymden kröks nära tunga kroppar. Eftersom ljuset färdas i den krökta rymden ändras riktningen. Denna effekt av gravitationen runt en massiv kropp fungerar som en optisk lins, som avböjer och fokuserar ljuset.

Sådana fenomen har observerats tidigare när till exempel två galaxer råkar dela samma siktlinje sett ifrån jorden. Vad är då nytt? Ljuskällan som vi nu har observerat genom en s.k. gravitationslins är en exploderande stjärna, en supernova. Det var dessutom en Typ Ia supernova. Dessa stjärnexplosioner är väldigt speciella då de fungerar som s.k. ”standard ljuskällor”. De har använts under de två senaste decennier för att kartlägga universums expansionshistoria. Dessa studier ledde till 2011 års Nobelpris i Fysik: upptäckten att universums expansion accelererar, ett fenomen som brukar förklaras med att den kosmiska sammansättningen utgörs i huvudsak av en hittills okänt komponent som kallas ”mörk energi”.

Eftersom vi vet hur starkt en typ Ia supernova lyser i vanliga fall, kan vi använda oss av det uppmätta ljusflödet för att uppskatta hur mycket ljusstarkare supernovan lyser i just detta fall och då räkna ut hur mycket linsen fokuserade ljuset, och svaret var oväntat stort: ljuset är förstärkt 52 gånger. Vi har bekräftat upptäckten genom att med hjälp av Hubbleteleskopet och de kraftfullaste markbaserade teleskop få få högupplösta bilder av den lindade supernovan. Linsens avböjning gör att man ser fyra bilder av den exploderande stjärnan, där varje bild färdats olika vägar genom galaxlinsen. Här kommer en ytterligare spännande möjlighet: i princip kan vi mäta tidsskillnaden mellan de olika ljusstrålarna. Tiden mellan bilderna beror dels på linsens egenskaper, men men den beror även på hur snabbt universum expanderar. Denna metod att mäta expansionen föreslogs 1964 av en norsk astronom, Sjur Refsdal. Vi jobbar med de mätningar och har inte ett svar på just den frågan ännu.

Även om mätningarna på just denna supernova inte skulle ge oss en precis mätning så är vi optimistiska. Den lätthet med vilken vi hittade den gravitationellt linsade supernovan antyder att vi borde kunna hitta många fler med samma teknik.  Detta är särskilt intressant nu, eftersom vi håller på att uppgradera kameran på teleskopet i Palomar där upptäckten gjordes, och kommer att kunna leta efter sådana sällsynta fenomen mer än 10 ggr så effektivt. Allt tyder på att vi har kommit på ett nytt bättre sätt att studera krökningen av rum-tiden och universums expansion. Det kan vi ha stor nytta av för att förstå egenskaperna av det ”mörka universum”, en av vår tids största vetenskapliga gåtor.

– Ariel Goobar (ariel@fysik.su.se), Rahman Amanullah (rahman@fysik.su.se) och Edvard Mörtsell (edvard@fysik.su.se)

I forskargruppen ingår flera forskare från Stockholms universitet och Oskar Klein-centret, samt California Institute of Technology, University of California, Lawrence Berkeley National Laboratory och Weizmann Institute of Science.

Studien iPTF16geu: A multiply-imaged gravitationally lensed Type Ia supernova är publicerad i senaste numret av tidskriften Science, www.sciencemag.org.