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Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop haben Astronomen ein atemberaubendes Bild einer fernen Supernova in einer Galaxie aufgenommen, die sich wie heißes Toffee auszudehnen scheint.
Der goldene Fleck, der diese durch Gravitationslinsen hervorgerufene Supernova mit dem Spitznamen „Supernova der Hoffnung“ verbirgt, ist jedoch nicht nur wegen ihres ästhetischen Werts bemerkenswert. Die Supernova, die explodierte, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum erst 3,5 Milliarden Jahre alt war, erzählt uns von einem riesigen Problem in der Kosmologie namens „Hubble-Spannung“.
Die Hubble-Spannung entsteht, weil Wissenschaftler sich nicht auf die genaue Expansionsrate des Universums einigen können, die durch die Hubble-Konstante vorgegeben wird. Grundsätzlich kann die Rate vom lokalen (und daher jüngeren) Universum aus gemessen werden und dann weiter in der Zeit zurückgehen – oder sie kann vom entfernten (und daher frühen) Universum aus berechnet werden, dann durch Aufstieg. Das Problem besteht darin, dass die beiden Methoden Werte liefern, die nicht miteinander übereinstimmen. Hier kommt das James Web Space Telescope (JWST) ins Spiel.
Von JWST beobachtete Supernovae mit Gravitationslinsen im frühen Kosmos könnten eine dritte Möglichkeit zur Messung der Rate darstellen und möglicherweise zur Lösung dieses „Hubble-Problems“ beitragen.
„Die Supernova wurde ‚Supernova Hope‘ genannt, weil sie den Astronomen Hoffnung gibt, die sich ändernde Expansionsrate des Universums besser zu verstehen“, sagte Studienteamleiterin und Forscherin Brenda Frye von der University of Arizona in einer Pressemitteilung der NASA.
Diese Untersuchung der Hope-Supernova begann, als Frye und sein globales Wissenschaftlerteam drei merkwürdige helle Flecken in einem JWST-Bild eines entfernten, dicht besiedelten Galaxienhaufens entdeckten. Diese hellen Flecken im Bild waren nicht sichtbar, als das Hubble-Weltraumteleskop im Jahr 2015 denselben Cluster fotografierte, der als PLCK G165.7+67.0 oder einfacher G165 bekannt ist.
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„Alles begann mit einer Frage des Teams: ‚Was sind diese drei Punkte, die vorher nicht existierten? Könnte das eine Supernova sein?‘“, sagte Frye. „Die ersten Analysen bestätigten, dass diese Punkte einem explosiven Stern mit seltenen Eigenschaften entsprachen.“
Der Raum um G165 wurde für das PEARLS-Programm ausgewählt, weil er sich mitten in einem „Starburst“, einer Periode intensiver Sternentstehung, befindet und 300 Sonnenmassen Sterne pro Jahr hervorbringt. Solche hohen Sternentstehungsraten korrelieren mit häufigeren Supernova-Explosionen.
Supernova Hope ist eine spezielle Art von Supernova, die als Typ-Ia-Supernova bezeichnet wird. Diese Supernovae treten in Doppelsternsystemen auf, die einen Hauptreihenstern wie die Sonne und einen Stern enthalten, der seinen Brennstoff für die Kernfusion erschöpft hat und zu einer toten Hülle, einem sogenannten Weißen Zwerg, geworden ist.
Wenn diese Sternkörper nahe genug sind, kann der tote Stern wie ein kosmischer Vampir wirken und dem lebenden oder „Spender“-Stern Plasma entziehen. Während dies so weitergeht, baut sich Materie auf, bis sie eine thermonukleare Explosion auslöst – Explosionen, die wir als Typ-Ia-Supernovae bezeichnen. Aufgrund der Gleichmäßigkeit ihrer Lichtblitze stellen diese Supernovae ein hervorragendes Werkzeug dar, mit dem Astronomen kosmische Entfernungen messen können. Astronomen nennen Supernovae vom Typ Ia daher „Standardkerzen“.
Eine Möglichkeit, einen Wert für die Hubble-Konstante zu erhalten, besteht darin, Supernovae vom Typ Ia im lokalen Universum zu betrachten, um ihre Entfernungen von uns und voneinander zu messen und dann zu messen, wie schnell sie sich zurückziehen. Die andere Haupttechnik zur Messung der Expansion des Universums besteht darin, Beobachtungen des fernen Universums durchzuführen und dann die Expansionsrate des Kosmos durch Deduktion zu berechnen.
Aber auch hier stimmen diese Methoden nicht überein. Supernova Hope könnte jedoch als Brücke zwischen den beiden Techniken dienen.
Einstein hilft
Der Gravitationslinseneffekt ist ein Effekt, der in Albert Einsteins Hauptwerk der Gravitationstheorie aus dem Jahr 1915 vorhergesagt wird und „allgemeine Relativitätstheorie“ genannt wird.
Die Allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit Masse die Krümmung der Raumzeit, die dreidimensionale Vereinigung von Raum und Zeit, verursachen, wobei die Schwerkraft aus dieser Krümmung resultiert. Je größer die Masse des Objekts, desto extremer ist die Raumverzerrung und desto größer ist daher der Gravitationseinfluss dieses Objekts. Dadurch kreisen Monde um Planeten, Planeten umkreisen Sterne und Sterne umkreisen supermassereiche Schwarze Löcher.
Diese Raumzeitverzerrung hat noch einen weiteren interessanten Effekt. Wenn Licht durch ein Objekt mit starkem Verformungseinfluss hindurchgeht, ein Objekt, das wir im Folgenden „Gravitationslinse“ nennen, krümmt sich der Weg des Lichts um die Verformung des Objekts. Welchen Weg das Licht nimmt, hängt davon ab, wie nahe es der Gravitationslinse kommt.
Das bedeutet, dass Licht vom selben Objekt unterschiedlich stark gekrümmte und unterschiedlich lange Wege nehmen kann. Daher kann dieses Licht zu unterschiedlichen Zeiten bei Teleskopen wie dem JWST eintreffen. Beispielsweise kann ein mit einer Linse versehenes Hintergrundobjekt wie Toffee „verschmiert“ erscheinen oder an mehreren Stellen im selben Bild erscheinen.
Dies geschieht mit der Hope-Supernova in diesem Bild, wenn ihr Licht die Gravitationslinse G165 passiert.
„Gravitationslinsen sind für dieses Experiment wichtig. Die Linse, die aus einem Galaxienhaufen zwischen der Supernova und uns besteht, beugt das Licht der Supernova in mehrere Bilder“, sagte Frye. „Es ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie ein dreizackiger Kosmetikspiegel drei verschiedene Bilder einer davor sitzenden Person präsentiert.“
Der Forscher der University of Arizona erklärte, dass der Effekt direkt vor den Augen des Teams im G165-JWST-Bild demonstriert wurde, wo das Bild der mittleren Supernova im Vergleich zu den beiden anderen Bildern umgekehrt erschien.
„Um drei Bilder zu erhalten, legte das Licht drei verschiedene Wege zurück. Da jeder Weg eine andere Länge hatte und das Licht sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegte, wurde die Supernova in dieser JWST-Beobachtung zu drei verschiedenen Zeitpunkten während ihrer Explosion fotografiert“, fuhr Frye fort. „In der Dreifachspiegel-Analogie kam es zu einer Verzögerung, bei der der rechte Spiegel eine Person zeigte, die einen Kamm anhob, der linke Spiegel das Kämmen der Haare zeigte und der mittlere Spiegel die Person zeigte, die den Kamm weglegte.
„Dreifach-Supernova-Bilder sind etwas Besonderes. Die Verzögerungen, die Supernova-Entfernung und die Gravitationslinseneigenschaften ergeben einen Wert für die Hubble-Konstante.“
Das Team verfolgte die Hope-Supernova mit dem JWST sowie einigen bodengestützten Instrumenten, darunter dem 6,5-Meter-MMT-Teleskop auf dem Mount Hopkins und dem Large Binocular Telescope auf dem Mount Graham, beide in Arizona.
Dies führte das Team zu der Bestätigung, dass die Hope-Supernova in einer Hintergrundgalaxie weit hinter dem Linsenhaufen G165 verankert ist. Das Licht der kosmischen Explosion bewegt sich seit 10,3 Milliarden Jahren auf die Erde zu, was bedeutet, dass dieser Weiße Zwerg nur 3,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall explodierte.
„Ein anderes Teammitglied führte eine weitere Verzögerungsmessung durch, indem es die Entwicklung seines Streulichts in seinen konstituierenden Farben oder seinem ‚Spektrum‘ des JWST analysierte und damit die Art Ia-Natur der Hope-Supernova bestätigte“, sagte Frye. „Die Hope-Supernova ist eine der am weitesten entfernten Typ-Ia-Supernovae, die bisher beobachtet wurde.“
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Obwohl sie im frühen Universum existiert, scheint der Wert der Hubble-Konstante, der durch Beobachtungen der Hope-Supernova ermittelt wurde, mit den Messungen anderer Standardkerzen im lokalen Universum übereinzustimmen und somit nicht mit den Messungen anderer Objekte im frühen Universum übereinzustimmen.
„Unsere Teamergebnisse haben Auswirkungen“, schloss Frye. „Der Wert der Hubble-Konstante stimmt mit anderen Messungen im lokalen Universum überein und steht in gewissem Widerspruch zu den Werten, die erhalten wurden, als das Universum noch jung war. JWST-Beobachtungen im dritten Zyklus werden die Unsicherheiten verbessern und somit empfindlichere Einschränkungen für die Hubble-Konstante ermöglichen.“
Die Forschung des Teams wird derzeit vor der Veröffentlichung einem Peer-Review unterzogen.