Наднова, яка допомогла виміряти Всесвіт

Першого травня 2015 року група вчених передбачила, що в листопаді ми побачимо як зірка стане надновою в мільярдах світлових років від нас у спіральній галактиці СП 1149.
Це було вперше, коли хто-небудь намагався передбачити наднову і небезпідставно - вони неймовірно рідкісні й непередбачувані.
Для зірки, маса якої перевищує сонячну у 8 разів, наднова знаменує кінець її життєвого циклу.
У зв'язку з закінченням ядерного палива у своєму ядрі зірка колапсує сама в себе.
А падіння речовини на ядро спричиняє надзвичайно потужний вибух.
Наднова може бути такою ж яскравою як ціла галактика і що важливо - яскравість наднової змінюється відомим чином.
Вона дуже яскраво сяє впродовж тижнів, а потім згасає за кілька місяців.
Явище наднової дуже рідкісне
У будь-якій галактиці зі 100 мільярдами зірок в середньому можна очікувати лише дві наднові за століття.
Тож спробуйте виявити зірку, яка має ось-ось вибухнути.
Ми можемо сказати скільки житиме певна зірка, знаючи її масу, світність та кольорову температуру.
Ці дані точно визначають етап її життя в передбачуваному життєвому циклі.
Але оцінка того коли саме велика зірка стане надновою містить великі похибки.
Візьмемо, наприклад, червоний надгігант Бетельгейзе, розташований у нашій галактиці.
Це найкращий кандидат на те, щоб стати надновою.
Вчені вважають, що Бетельгейзе вибухне будь-якого дня в найближчі кілька сотень тисяч років.
Коли це станеться, наднову можна буде бачити вдень, оскільки її яскравість буде співмірною з яскравістю Місяця в повню.
В порівнянні з тривалістю життя зірки 100 тисяч років - це короткий проміжок часу.
Але для нас, недовговічних людей, це фактично вічність.
Тож може здатися малоймовірним, що вчені, які передбачали цю наднову, зможуть отримати час на космічному телескопі Габбл для фотографування галактики СП 1149.
Але їхнє прохання було задоволене.
Вони могли фотографувати цю частину неба приблизно один раз на місяць після 30 жовтня.
Доти галактика була надто близько до Сонця, щоб спрямувати на неї Габбл.
На цьому першому знимку, зробленому в кінці жовтня, немає наднової.
Наступне зображення буде зроблене 14 листопада.
Знову ж таки, жодної наднової.
Але на третьому знімку, зробленому 11 грудня - джек-пот!
Наднова саме в тому місці, де її передбачили й майже точно в той час, коли це мало статися.
То як їм вдалося передбачити наднову з точністю до місяця?
Річ у тому, що вони бачили саме цю наднову раніше.
Не раз, не два, а чотири рази.
Роком раніше, тобто за 5 місяців до передбачення, Габбл зробив ось цей знимок.
Бачити ці чотири яскраві цятки?
Це кілька зображень однієї й тієї ж наднової.
Причина, через яку ми бачимо одну і ту саму наднову в чотирьох різних місцях полягає в тому, що між нами та вибухом зірки є лінза.
Не скляна, звісно ж, а гравітаційна лінза, утворена величезною масою звичайної речовини й темної матерії.
Гравітаційне лінзування проявляється у збільшенні зображення та видимої яскравості далеких джерел завдяки фокусуванню світла.
Воно розмиває зображення далеких галактик на дуги, смуги та усілякі химерні силуети.
І, звичайно, для якогось далекого спостерігача в такий галактиці галактика Чумацький шлях може мати схожий вигляд.
У гравітаційному лінзуванні є три основні компоненти - джерело, лінза і телескоп.
Якщо лінза та джерело сферично симетричні, і якщо джерело, лінза і телескоп ідеально вирівняні, то ви отримаєте так зване кільце Айнштайна.
Траєкторія світла від джерела вигинається гравітаційною лінзою симетрично, що перетворює його зображення на розмите кільце.
Якщо джерело і лінза сферично симетричні, але не розташовані на одні прямій зі спостерігачем, то ми побачимо розриви у кільці Айнштайна і зображення матиме вигляд дуг.
А якщо джерело, лінза та телескоп вирівняні, але маса в лінзі розподілена не симетрично, як, наприклад, в еліптичній галактиці, то ви отримаєте чотири зображення у формі хреста - хреста Айнштайна.
Отже, що ж сталося з нашою надновою?
9,3 мільярда років тому в далекій-далекій галактиці вмираюча зірка вибухнула як наднова.
Вибух супроводжувався потужним випромінюванням у всіх напрямках.
Приблизно 5 мільярдів років тому, ще до формування Землі, це світло пройшло біля дуже масивного об'єкта, який викривив простір-час.
Цим об'єктом було велике скупчення галактик з досить довгою назвою (...).
Я знаю, що її важко вимовити, але ця назва вказує на те, де саме в небі воно було виявлене під час огляду масивних скупчень.
Це скупчення галактик складається з безлічі менших масивних структур, як-от окремих галактик та гало темної матерії.
У певний час на шляху поширення світла опинилася еліптична галактика, яка тоді була майже ідеально вирівнена з місцем, де пізніше буде Земля.
Гравітація тієї галактики вплинула на простір-час, а отже і на розбіжні світлові промені, сфокусувавши їх на Землі.
Ось чому ми бачимо одну і ту саму наднову в чотирьох різних місцях.
Ба більше, ці зображення наднової спостерігалися ще й у різний час.
Відносно першого зображення інші були отримані через інтервали часу від п'яти днів до понад трьох тижнів.
Ми змогли виміряти цю затримку завдяки унікальній формі кривої блиску наднової.
Одні зображення вибуху були розташовані далі по кривій блиску ніж інші.
Це було особливо вдале відкриття.
Вперше спостерігалося кілька лінзованих зображень наднової.
Існують й інші об'єкти, які через гравітаційне лінзування видимі в різних місцях, наприклад, зображення галактик.
Але ці об'єкти не змінюються передбачуваним чином, тож їхні зображення неможливо використати для визначення відносної часової затримки.
Одна з причин затримки в часі полягає в тому, що чотири шляхи, якими рухалося світло, мали різні довжини.
І світлу було потрібно більше часу, щоб пройти більшу відстань.
Але є ще одна причина.
Світло, що проходить крізь викривлений простір-час відносно зовнішнього спостерігача рухається повільніше.
Це факт менш інтуїтивний, але він добре відомий і перевірений у загальній теорії відносності.
У 1964 році Ірвін Шапіро припустив, що цю гравітаційну затримку можна було б виміряти, відправляючи радіолокаційні сигнали на Венеру і вимірюючи час до отримання відбитих сигналів.
Він підрахував, що через гравітаційний вплив Сонця сигнали шли б додаткові 200 мікросекунд коли Венера перебувала з протилежного боку від Сонця ніж коли б вона була з того ж боку, що і Земля.
Це суто гравітаційна часова затримка, яка не пов'язана з додатковою відстанню.
І через кілька років експериментальні дані показали, що гравітаційна часова затримка для світла, що проходить біля Сонця, дорівнює передбаченій.
Сьогодні для точного визначення відстані до космічних апаратів Вояджери та Піонер цю часову затримку Шапіро повинно враховувати.
Тепер я хочу, щоб ви подивилися на чотири зображення наднової ще раз.
Ви помітили, як одна і та сама галактика видима тричі?
Це материнська галактика нашої наднової.
Її зображення зазнало лінзування масивним скупченням галактик, про яке йшла мова раніше.
Фактично, це скупчення лінзує десятки галактик.
Вчені вивчали та моделювали розподіл речовини в скупченні задовго до наднової.
Вони зацікавились: якщо ми бачимо ці чотири зображення наднової на одному зображенні материнської галактики, то коли наднова з'явиться на двох інших зображеннях цієї галактики?
Використовуючи моделі розподілу маси та загальну теорію відносності, вони підрахували, що на цьому зображенні наднова повинна була з'явитися двадцятьма роками раніше - у 1995-му.
Зараз немає достатньо детальних знимків цієї частини неба за 1995 рік, тож перевірити неможливо.
Але на іншому зображенні галактики наднова повинна була з'явитися приблизно через рік.
І майже через рік вона з'явилася на зображеннях Габбла.
Це успішне передбачення стало фантастичним підтвердженням нашого розуміння світла і гравітації на масштабі цілого всесвіту.
І ці результати іще важливіші в контексті однієї з найгарячіших дискусій в астрономії щодо розширення нашого всесвіту.
І це розширення визначається сталою Габбла, яка пов'язує відстань до далеких галактик зі швидкістю їхнього віддалення.
Вимірювання сталої здійснюється двома способами.
Перший - спостереження певних типів зірок, абсолютна світність яких нам відома, тож ми можемо використовувати їхню видиму яскравість, щоб визначити відстань до них.
Поєднуючи інформацію про відстань та значення червоного зміщення, можна визначити наскільки швидко всесвіт розширюється.
Так визначається шкала космічних відстаней, згідно з якою стала Габбла становить приблизно 74 км/с на мегапарсек.
Тобто на кожен мегапарсек відстані між двома галактиками вони віддалятимуться зі швидкістю 74 км/с.
Іншій спосіб вимірювання сталої Габбла полягає у вивченні особливостей реліктового випромінювання, яке фактично є зображенням раннього всесвіту.
Використовуючи стандартну космологічну модель Лямбда-СДМ, ми можемо з'ясувати, як розширювався ранній всесвіт.
Результат, отриманий цим методом. складає 67 км/с на мегапарсек, що суттєво менше, ніж отримані першим методом 74 км/с.
За останні роки обидва ці методи були вдосконалені, що дозволило зменшити похибки, але результуючі значення не стали ближчими.
Отже, на цей момент ці два значення дійсно здаються різними.
Їхні стандартні відхилення становлять майже 5 сигм.
Астрофізик Джозеф Силк назвав це ймовірною кризою для космології.
Але існують й інші способи вимірювання сталої Габбла.
Один з них - дослідити лінзовані зображення наднової й використати часові затримки між їхніми появами.
Вперше це було запропоноване норвезьким астрономом Шуром Рефздалом у 1964 році.
Оскільки це була перша наднова відкрита завдяки гравітаційному лінзуванню, її стали називати "надновою Рефздала".
Розрахунки сталої Габбла за цими даними дають величину 64 км/с на мегапарсек.
І хоча цей результат має великі планки похибки, він краще узгоджується зі значенням, знайденим за реліктовим випромінюванням.
Я постійно думаю про те, наскільки дивним є космос.
Раніше я уявляв його схожим на скло - в основному прозоре, з окремими туманними регіонами й незначними неоднорідностями.
Але насправді у нас є простір, який викривляє траєкторії світла таким чином, що одна і та сама подія з'являється у шести різних місцях на небі, які до того ж розділені днями, тижнями, роком і навіть двадцятьма роками.
І у цих спотвореннях міститься інформація про те, як функціонує наш всесвіт.