سوپرنواهای خمیده‌ای که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب مشاهده شدند ممکن است یک مناقشه طولانی‌مدت را حل کنند

تنها مشکل؟ ما پاسخ این سوال را تا سال ۱۴۱۳ که تصاویر نهایی از طریق لنز مشاهده شوند، نخواهیم داشت.

دو سوپرنوا در یک کهکشان، و یکی که آنقدر از ما دور است که آن را ۱۰ میلیارد سال پیش همانطور که بوده، می‌بینیم، می‌توانند در آشکارسازی نرخ انبساط جهان کمک کنند. این اندازه‌گیری، به‌ویژه در میان جامعه علمی، تنش‌هایی ایجاد کرده است.

کهکشان و دو سوپرنوا توسط تلسکوپ‌های فضایی هابل و جیمز وب تصویربرداری شده‌اند. کهکشان‌ها توسط قدرت لنز گرانشی قابل مشاهده هستند — پدیده‌ای که در آن مقادیر زیادی جرم، مانند آنچه در خوشه‌های کهکشانی یافت می‌شود، می‌توانند فضا را به شکلی شبیه به “لنز” تغییر شکل دهند که می‌تواند نور کهکشان‌های دورتر را بزرگنمایی و تحریف کند.

در سال ۱۳۹۴، تلسکوپ فضایی هابل کهکشان MRG-M0138 را تصویربرداری کرد، اما تصاویر تا سه سال بعد به‌طور کامل تحلیل نشدند. نور MRG-M0138 توسط لنز خوشه کهکشانی MACS J0138.0-2155 که ۴ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد، به پنج تصویر جداگانه تحریف شده است. این تصاویر به دلیل وضعیت ناقص لنز، دقیقا شبیه کهکشان‌هایی که معمولاً می‌بینیم به نظر نمی‌رسند، چون به صورت قوس‌دار تحریف شده‌اند.

با این حال، زمانی که اخترشناسان در سال ۱۳۹۷ تصاویر تلسکوپ هابل را بررسی کردند، نوری درخشان از یک سوپرنوا در MRG-M0138 مشاهده کردند. این سوپرنوا از نوع Ia است و نتیجه انفجار یک کوتوله سفید می‌باشد، که می‌تواند به دلیل برخورد با یک کوتوله سفید دیگر یا از طریق دزدیدن ماده‌ای کافی از یک ستاره همدم نزدیک اتفاق بیفتد.

اما اکنون، اخترشناسانی که MRG-M0138 را با تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) مشاهده کرده‌اند، یک سوپرنوا دیگر از نوع Ia را در کهکشان دورافتاده کشف کرده‌اند.

سوپرنوا اول به نام “Requiem” (آرامگاه) و سوپرنوا دوم به نام “Encore” (پاداش) شناخته شده‌اند. MRG-M0138 دورترین کهکشانی است که دو سوپرنوا از نوع Ia در آن مشاهده شده است و در واقع، این کشف برای حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای کنونی در کیهان‌شناسی اهمیت زیادی دارد.

زمانی که اخترشناسان نرخ انبساط جهان را اندازه‌گیری می‌کنند — مقداری که به آن ثابت هابل می‌گویند — دو مقدار ناسازگار به دست می‌آید. اگرچه ظاهراً هیچ خطایی در هر یک از این اندازه‌گیری‌ها وجود ندارد، اما واضح است که هر دوی آن‌ها نمی‌توانند صحیح باشند. بنابراین، یا خطای کشف‌نشده‌ای در اندازه‌گیری‌ها وجود دارد، یا فیزیک جدید و عجیب در حال عمل است.

یکی از روش‌های اندازه‌گیری ثابت هابل، تحلیل تابش زمینه ریزموج کیهانی (CMB) است که از بیگ‌بنگ به‌جا مانده است. CMB با تفاوت‌های دمایی ریز که معادل تغییرات در چگالی ماده ابتدایی است که به کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی امروزی تبدیل شده، پُر شده است. این تفاوت‌ها و ساختارهای بزرگ‌مقیاس که امروزه در جهان مشاهده می‌کنیم، به‌طور مستقیم به هم مرتبط هستند و براساس آنچه از مدل استاندارد کیهان‌شناسی می‌دانیم، اخترشناسان می‌توانند از این ارتباط برای محاسبه مقدار ثابت هابل برابر با ۶۷.۴ کیلومتر (۴۱.۹ مایل) در ثانیه به ازای هر مگاپارسک استفاده کنند. (یک مگاپارسک معادل ۳.۲۶ میلیون سال نوری است، بنابراین این به این معنی است که هر ثانیه، حجم معینی از فضا به قطر ۳.۲۶ میلیون سال نوری، به اندازه ۶۷.۴ کیلومتر در حال انبساط است.)

با این حال، سوپرنواهای نوع Ia نیز برای اندازه‌گیری فواصل کیهانی و ثابت هابل مفید هستند. زیرا آن‌ها دارای حداکثر درخشندگی استاندارد هستند که از آن می‌توانیم درخشندگی درونی واقعی آن‌ها را ارزیابی کنیم. سپس، با توجه به میزان درخشان یا کم‌نور بودن آن‌ها، می‌توانیم محاسبه کنیم که چقدر از ما دور هستند. پس از آن، اخترشناسان می‌توانند این فاصله را با تغییر سرخ‌نگاری سوپرنوا که معیاری از سرعت انبساط فضا و در نتیجه کشش طول‌موج‌های نوری است که از سوپرنوا منتشر می‌شود، مقایسه کنند — تا ثابت هابل را به دست آورند. محاسبه نهایی با استفاده از قانون هابل-لمتر انجام می‌شود که می‌گوید سرعت انبساط برابر است با فاصله ضربدر ثابت هابل. با استفاده از این روش، اخترشناسان مقدار ۷۳.۲ کیلومتر (۴۵.۵ مایل) در ثانیه به ازای هر مگاپارسک را محاسبه می‌کنند که از مقدار حاصل از CMB بزرگتر است.

با این حال، سوپرنواهای لنزی در MRG-M0138 مزیت اضافی دارند، زیرا آن‌ها در پنج تصویر مختلف از کهکشان ظاهر خواهند شد.

“زمانی که یک سوپرنوا پشت یک لنز گرانشی منفجر می‌شود، نور آن از چند مسیر مختلف به زمین می‌رسد”، در بیانیه‌ای مشترک جاستین پیرل از موسسه علم تلسکوپ فضایی و اندرو نیومن از رصدخانه‌های موسسه علوم کارنگی گفت.

این مسیرها طول‌های متفاوتی دارند، بنابراین سوپرنوا ممکن است در تصاویر به‌طور جداگانه و در فواصل زمانی مختلف از هم، از جمله روزها، هفته‌ها و حتی سال‌ها، ظاهر شود.

“با اندازه‌گیری تفاوت‌های زمانی که تصاویر سوپرنوا ظاهر می‌شوند، می‌توانیم تاریخچه نرخ انبساط جهان، معروف به ثابت هابل، را اندازه‌گیری کنیم که این یکی از چالش‌های اصلی کیهان‌شناسی در حال حاضر است”، پیرل و نیومن گفتند .

سوپرنواهای لنزی به‌طور نادر یافت می‌شوند و کمتر از دوازده مورد شناخته شده‌اند. این امر سوپرنواهای نوع Ia در MRG-M0138 را به‌ویژه ارزشمند می‌کند.

با این حال، یک نکته وجود دارد. در حالی که بیشتر تصاویر دو سوپرنوا ظاهر شده‌اند، یکی از مسیرهای نوری پیش‌بینی می‌شود که طولانی‌تر باشد، براساس مدل‌های توزیع ماده تاریک در خوشه لنز. این تصاویر نهایی انتظار نمی‌رود تا اواسط تا اواخر دهه ۲۰۳۰ ظاهر شوند.

“سوپرنواها معمولاً غیرقابل پیش‌بینی هستند، اما در این مورد می‌دانیم که کجا و کی باید نگاه کنیم تا آخرین تصاویر Requiem و Encore را ببینیم”، گفتند پیرل و نیومن. “مشاهدات مادون قرمز در حدود سال ۱۴۱۳ آخرین لحظات آن‌ها را ثبت خواهند کرد و یک اندازه‌گیری دقیق از ثابت هابل را ارائه خواهند داد.”

اگرچه تلسکوپ فضایی هابل ممکن است در سال ۱۴۱۳ دیگر فعال نباشد، امیدواریم که تلسکوپ جیمز وب همچنان فعال باشد. اگر این‌طور باشد و بتواند ظهور نهایی تصاویر از Requiem و Encore را تشخیص دهد، اندازه‌گیری ثابت هابل که آن‌ها ارائه خواهند داد می‌تواند به حل معمای “تنش هابل” کمک کند و مشخص کند که آیا این مشکل تنها خطای تجربی است یا یک پدیده واقعی.