تلسکوپ فضایی جیمز وب ابرنواختری 'امید' را پیدا کرد که در نهایت می تواند بحث های بزرگ نجوم را حل کند

این ابرنواختر ‘امید ابرنواختری’ نامیده شد زیرا به ستاره شناسان امیدواری می دهد تا نرخ انبساط در حال تغییر جهان را بهتر درک کنند.

اخترشناسان با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، تصویری خیره کننده از یک ابرنواختر دوردست در کهکشانی گرفته اند که به نظر می رسد مانند تافی گرم کشیده شده است.

با این حال، لکه طلایی که این ابرنواختر دارای عدسی گرانشی را پنهان می کند، که به آن ‘امید ابرنواختر’ لقب گرفته است، فقط به دلیل ارزش زیبایی شناختی آن قابل توجه نیست. این ابرنواختر که زمانی منفجر شد که کیهان ۱۳.۸ میلیارد ساله فقط حدود ۳.۵ میلیارد سال سن داشت، چیزی در مورد مشکل بزرگی در کیهان شناسی به نام ‘تنش هابل’ به ما می گوید.

تنش هابل از این واقعیت ناشی می شود که دانشمندان نمی توانند روی سرعت دقیق انبساط جهان که توسط ثابت هابل دیکته می شود به توافق برسند. اساساً، نرخ را می توان با شروع از جهان محلی (و بنابراین اخیر) اندازه گیری کرد، سپس به زمان دورتر رفت – یا می توان آن را با شروع از جهان دور (و بنابراین اولیه) محاسبه کرد، سپس به سمت بالا حرکت کرد. مسئله این است که هر دو روش مقادیری را ارائه می دهند که با یکدیگر مطابقت ندارند. اینجاست که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) وارد می شود.

ابرنواخترهای با لنز گرانشی در کیهان اولیه که JWST در حال مشاهده است، می‌تواند راه سومی برای اندازه‌گیری نرخ ارائه دهد و به طور بالقوه به حل این «مشکل هابل» کمک کند.

برندا فرای، رهبر تیم مطالعه و محقق دانشگاه آریزونا در بیانیه ای از ناسا گفت: این ابرنواختر «امید ابرنواختر» نامیده شد زیرا به ستاره شناسان امیدواری می دهد تا نرخ انبساط در حال تغییر جهان را بهتر درک کنند.

این تحقیق درباره ابرنواختر هوپ زمانی آغاز شد که فرای و تیم جهانی دانشمندانش سه نقطه نورانی عجیب را در تصویر JWST از یک خوشه کهکشانی دوردست و متراکم پیدا کردند. وقتی تلسکوپ فضایی هابل از همان خوشه معروف به PLCK G165.7+67.0 یا به عبارت ساده تر G165 در سال ۱۳۹۳ عکسبرداری کرد، آن نقاط نوری در تصویر قابل مشاهده نبودند.

فرای گفت: ‘همه چیز با یک سوال تیم شروع شد: ‘آن سه نقطه که قبلا وجود نداشتند چیست؟’ ‘تحلیل های اولیه تایید کرد که این نقاط مربوط به یک ستاره در حال انفجار است، ستاره ای با ویژگی های نادر.’

فضای اطراف G165 برای برنامه مروارید انتخاب شد، زیرا در میانه ‘ستاره‌باران’، دوره‌ای از شکل‌گیری شدید ستارگان، و تولید ۳۰۰ جرم خورشیدی ستاره در سال است. چنین نرخ های بالای تشکیل ستاره با موارد بالاتر انفجارهای ابرنواختر مرتبط است.

JWST1 — یک ابرنواختر نوع Ia در برداشت این هنرمند به تصویر کشیده شده است. (اعتبار تصویر: ESA)

ابرنواختر هوپ نوع خاصی از ابرنواختر است که ابرنواختر نوع Ia نامیده می شود. این ابرنواخترها به صورت دوتایی رخ می‌دهند که شامل یک ستاره دنباله اصلی، مانند خورشید، و ستاره‌ای است که سوخت خود را برای همجوشی هسته‌ای تمام کرده و به پوسته‌ای مرده تبدیل شده است که به آن کوتوله سفید می‌گویند.

اگر این اجسام ستاره ای به اندازه کافی نزدیک باشند، آنگاه ستاره مرده می تواند مانند یک خون آشام کیهانی عمل کند و پلاسما را از ستاره زنده یا «اهداکننده» بگیرد. با ادامه این روند، مواد تا زمانی که باعث ایجاد یک انفجار گرما هسته‌ای شوند تجمع می‌یابند – انفجارهایی که ما به عنوان ابرنواخترهای نوع Ia می‌بینیم. این ابرنواخترها به دلیل یکنواختی فلاش های نورشان، ابزاری عالی هستند که اخترشناسان می توانند از آن برای اندازه گیری فواصل کیهانی استفاده کنند. بنابراین ستاره شناسان از ابرنواخترهای نوع Ia به عنوان ‘شمع های استاندارد’ یاد می کنند.

یکی از راه های بدست آوردن مقدار ثابت هابل این است که به ابرنواخترهای نوع Ia در جهان محلی نگاه کنید تا فاصله آنها از ما و یکدیگر را اندازه گیری کنید و سپس سرعت عقب نشینی آنها را اندازه گیری کنید. روش اصلی دیگر اندازه‌گیری انبساط جهان شامل رصدهای جهان دور و سپس محاسبه سرعت انبساط کیهان از طریق استنتاج است.

اما باز هم، این روش ها با هم هماهنگ نیستند. با این حال، امید ابرنواختر می تواند به عنوان پلی بین این دو تکنیک عمل کند.

انیشتین دست دراز می‌کند: نگاهی به افکار و دستاوردهای نابغه تاریخ

عدسی گرانشی اثری است که در نظریه گرانش magnum opus آلبرت انیشتین پیش بینی شده است که در سال ۱۲۹۳ ایجاد شد و ‘نسبیت عام’ نامیده می شود.

نسبیت عام نشان می دهد که اجسام با جرم باعث تاب برداشتن فضازمان، اتحاد چهار بعدی فضا و زمان، با گرانش ناشی از این انحنا می شوند. هر چه جرم جسم بیشتر باشد، تاب برداشتن فضا شدیدتر است و بنابراین، تأثیر گرانشی آن جسم بیشتر می‌شود. این همان چیزی است که باعث می شود قمرها به دور سیارات، سیارات به دور ستاره ها و ستارگان به دور سیاهچاله های کلان پرجرم بچرخند.

این تاب برداشتن فضازمان اثر جالب دیگری نیز دارد. هنگامی که نور از یک جسم با تأثیر تابش قوی عبور می کند، جسمی که اکنون آن را ‘عدسی گرانشی’ می نامیم، مسیر نور در اطراف تاب جسم خم می شود. مسیری که نور طی می کند بستگی به نزدیک شدن آن به عدسی گرانشی دارد.

این بدان معناست که نور از یک جسم می‌تواند مسیرهای خمیده به درجات مختلف و با طول‌های متفاوت را طی کند. بنابراین، آن نور می تواند در زمان های مختلف به تلسکوپ هایی مانند JWST برسد. به این ترتیب است که یک شی پس‌زمینه با لنز می‌تواند مانند تافی «لکه‌دار» به نظر برسد یا در چندین مکان در یک تصویر ظاهر شود.

این همان چیزی است که برای ابرنواختر هوپ در این تصویر اتفاق می افتد، زیرا نور آن از لنز گرانشی G165 عبور می کند.

JWST2 — این تصویر پدیده ای به نام عدسی گرانشی را نشان می دهد که توسط ستاره شناسان برای مطالعه کهکشان های بسیار دور و بسیار کم نور استفاده می شود. (اعتبار تصویر: NASA، ESA و L. Calçada)

فرای گفت: ‘عدسی های گرانشی برای این آزمایش مهم است. عدسی، متشکل از خوشه ای از کهکشان ها که بین ابرنواختر و ما قرار دارد، نور ابرنواختر را به چندین تصویر خم می کند.’ ‘این شبیه به این است که چگونه یک آینه روشویی سه تایی سه تصویر مختلف از شخصی که در مقابل آن نشسته است ارائه می دهد.’

محقق دانشگاه آریزونا توضیح داد که این اثر درست در مقابل چشمان تیم در تصویر G165 JWST نشان داده شد، جایی که تصویر ابرنواختر میانی نسبت به دو تصویر دیگر به نظر می رسید.

فرای ادامه داد: ‘برای دستیابی به سه تصویر، نور در سه مسیر مختلف حرکت کرد. از آنجایی که هر مسیر طول متفاوتی داشت و نور با سرعت یکسانی حرکت می کرد، این ابرنواختر در رصد JWST در سه زمان مختلف در طول انفجارش تصویربرداری شد.’ در قیاس آینه سه گانه، یک تاخیر زمانی رخ داد که در آن آینه سمت راست شخصی را در حال بلند کردن شانه نشان می داد، آینه سمت چپ مو را در حال شانه زدن نشان می داد، و آینه وسط فردی را نشان می داد که شانه را پایین می آورد.

‘تصاویر ابرنواخترهای سه گانه خاص هستند. تاخیرهای زمانی، فاصله ابرنواختر، و خواص عدسی گرانشی یک مقدار برای ثابت هابل به دست می دهند.’

JWST3 — نگاهی دقیق تر به تافی کهکشانی حاوی سه نمونه ابرنواختر هوپ. (اعتبار تصویر: NASA، ESA، CSA، STScI، B. Frye (دانشگاه آریزونا)، R. Windhorst (دانشگاه ایالتی آریزونا)، S. Cohen (دانشگاه ایالتی آریزونا)، J. D’Silva (دانشگاه استرالیای غربی، پرث)، A. Koekemoer (موسسه علمی تلسکوپ فضایی)، J. Summers (دانشگاه ایالتی آریزونا).)

این تیم ابرنواختر هوپ را با JWST و همچنین برخی از ابزارهای مبتنی بر زمین، از جمله تلسکوپ ۶.۵ متری MMT در کوه هاپکینز و تلسکوپ بزرگ دوچشمی در کوه گراهام، که هر دو در آریزونا قرار دارند، دنبال کردند.

این امر باعث شد تا تیم تأیید کند که ابرنواختر هوپ به کهکشانی پس‌زمینه در پشت خوشه عدسی G165 لنگر انداخته است. نور حاصل از انفجار کیهانی به مدت ۱۰.۳ میلیارد سال به زمین سفر کرده است، به این معنی که این کوتوله سفید تنها ۳.۵ میلیارد سال پس از انفجار بزرگ، بالای خود را منفجر کرده است.

فرای گفت: یکی از اعضای تیم دیگر با تجزیه و تحلیل تکامل نور پراکنده آن به رنگ‌های تشکیل‌دهنده آن یا «طیف» آن از JWST، اندازه‌گیری تاخیر زمانی دیگری انجام داد و ماهیت نوع Ia ابرنواختر هوپ را تأیید کرد. ‘Supernova Hope یکی از دورترین ابرنواخترهای نوع Ia است که تا به امروز مشاهده شده است.’

علیرغم وجود در جهان اولیه، مقدار ثابت هابل ارائه شده توسط مشاهدات ابرنواختر هوپ به نظر می رسد با اندازه گیری های دیگر شمع های استاندارد در جهان محلی مطابقت دارد، بنابراین با اندازه گیری اجرام دیگر در جهان اولیه مخالف است.

فرای در پایان گفت: نتایج تیم ما تاثیرگذار است. ‘مقدار ثابت هابل با سایر اندازه‌گیری‌ها در جهان محلی مطابقت دارد و تا حدودی در تنش با مقادیر به‌دست‌آمده در زمان جوانی جهان است. مشاهدات JWST در چرخه ۳ عدم قطعیت‌ها را بهبود می‌بخشد و محدودیت‌های حساس‌تری را روی ثابت هابل ممکن می‌سازد.’

تحقیقات این تیم قبل از انتشار در مرحله بازبینی است.