Dzięki danym z powiększonej, wielokrotnie sfotografowanej supernowej, zespół kierowany przez naukowców z Twin Cities z University of Minnesota z powodzeniem zastosował pierwszą w swoim rodzaju technikę pomiaru tempa ekspansji Wszechświata. Ich dane dostarczają wglądu w trwającą od dawna debatę w tej dziedzinie i mogą pomóc naukowcom dokładniej określić wiek Wszechświata i lepiej zrozumieć kosmos.
Praca jest podzielona na dwa artykuły, odpowiednio opublikowane w Science, jednym z najlepszych na świecie recenzowanych czasopism akademickich, oraz w The Astrophysical Journal, recenzowanym czasopiśmie naukowym poświęconym astrofizyce i astronomii.
W astronomii istnieją dwa precyzyjne pomiary ekspansji Wszechświata, zwane także „stałą Hubble’a”. Jeden jest obliczany na podstawie pobliskich obserwacji supernowych, a drugi wykorzystuje „kosmiczne mikrofalowe tło” lub promieniowanie, które zaczęło swobodnie przepływać przez Wszechświat wkrótce po Wielkim Wybuchu.
Jednak te dwa pomiary różnią się o około 10 procent, co wywołało powszechną debatę wśród fizyków i astronomów. Jeśli oba pomiary są dokładne, oznacza to, że obecna teoria naukowców na temat budowy wszechświata jest niekompletna.
„Jeśli nowe, niezależne pomiary potwierdzą tę niezgodność między dwoma pomiarami stałej Hubble’a, stanie się to luką w zbroi naszego rozumienia kosmosu” – powiedział Patrick Kelly, główny autor obu artykułów i adiunkt na Uniwersytecie Minnesota School of Physics and Astronomy. „Wielkie pytanie brzmi, czy istnieje możliwy problem z jednym lub obydwoma pomiarami. Nasze badania rozwiązują ten problem, stosując niezależny, zupełnie inny sposób pomiaru tempa ekspansji Wszechświata”.
Zespół kierowany przez University of Minnesota był w stanie obliczyć tę wartość na podstawie danych z supernowej odkrytej przez Kelly’ego w 2014 roku – pierwszego w historii przykładu wielokrotnie sfotografowanej supernowej, co oznacza, że teleskop uchwycił cztery różne obrazy tego samego kosmicznego zdarzenia. Po odkryciu zespoły z całego świata przewidziały, że supernowa pojawi się ponownie w nowym miejscu w 2015 roku, a zespół z University of Minnesota wykrył to dodatkowe zdjęcie.
Te wielokrotne obrazy pojawiły się, ponieważ supernowa została soczewkowana grawitacyjnie przez gromadę galaktyk, zjawisko, w którym masa z gromady zakrzywia i powiększa światło. Wykorzystując opóźnienia czasowe między pojawieniem się zdjęć z 2014 i 2015 roku, naukowcy byli w stanie zmierzyć stałą Hubble’a przy użyciu teorii opracowanej w 1964 roku przez norweskiego astronoma Sjura Refsdala, której wcześniej nie można było zastosować w praktyce.
Odkrycia naukowców nie rozstrzygają całkowicie debaty, powiedział Kelly, ale zapewniają lepszy wgląd w problem i przybliżają fizyków do uzyskania najdokładniejszego pomiaru wieku Wszechświata.
„Nasze pomiary faworyzują wartość z kosmicznego mikrofalowego tła, chociaż nie kłócą się mocno z wartością supernowej” – powiedział Kelly. „Jeżeli obserwacje przyszłych supernowych, które również są soczewkowane grawitacyjnie przez gromady, dadzą podobny wynik, to zidentyfikowałoby to problem z obecną wartością supernowej lub z naszym rozumieniem ciemnej materii w gromadach galaktyk”.
Korzystając z tych samych danych, naukowcy odkryli, że niektóre obecne modele ciemnej materii w gromadach galaktyk były w stanie wyjaśnić ich obserwacje supernowych. To pozwoliło im określić najdokładniejsze modele lokalizacji ciemnej materii w gromadzie galaktyk, pytanie, które od dawna nęka astronomów.
Badania te były finansowane głównie przez NASA za pośrednictwem Space Telescope Science Institute i National Science Foundation.
Oprócz Kelly’ego w skład zespołu weszli naukowcy z Minnesota Institute for Astrophysics na Uniwersytecie w Minnesocie; Uniwersytet Południowej Karoliny; Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles; Uniwersytet Stanford; Szwajcarski Federalny Instytut Technologii w Lozannie; Uniwersytet Sorbona; Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley; Uniwersytet w Toronto; Uniwersytet w Rutgers; Uniwersytet w Kopenhadze; Uniwersytet Cambridge; Instytut Kosmologii Kavli; Uniwersytet Ben-Guriona na Negewie; Uniwersytet Kraju Basków; Uniwersytet w Kantabrii; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (hiszpańska Krajowa Rada ds. Badań Naukowych); Obserwatoria Carnegie Institution for Science; Uniwersytet w Portsmouth; Uniwersytet w Durham; Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara; Uniwersytet Tokijski; Instytut Nauki Teleskopu Kosmicznego; Instytut Astrofizyki im. Leibniza w Poczdamie; Uniwersytet Michigan; Australijski Uniwersytet Narodowy; Uniwersytet Stony Brook; Uniwersytet w Heidelbergu; i Uniwersytet Chiba.