Astronomen, die eines der drängendsten Geheimnisse des Kosmos erforschen – die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt – bereiten sich darauf vor, dieses Rätsel mithilfe des römischen Weltraumteleskops Nancy Grace der NASA auf neue Weise zu untersuchen. Nach dem Start im Mai 2027 werden Astronomen die umfangreichen Bilder von Roman nach Supernovae mit Gravitationslinsen durchsuchen, mit denen sich die Expansionsrate des Universums messen lässt.
Es gibt mehrere unabhängige Möglichkeiten, wie Astronomen die aktuelle Expansionsrate des Universums messen können, die als Hubble-Konstante bekannt ist. Verschiedene Techniken haben zu unterschiedlichen Werten geführt, die als Hubble-Spannung bezeichnet werden.
Ein Großteil von Romans kosmologischen Untersuchungen wird sich mit schwer fassbarer dunkler Energie befassen, die sich darauf auswirkt, wie sich das Universum im Laufe der Zeit ausdehnt. Ein Hauptwerkzeug für diese Untersuchungen ist eine ziemlich traditionelle Methode, die die intrinsische Helligkeit von Objekten wie Supernovae vom Typ Ia mit ihrer wahrgenommenen Helligkeit vergleicht, um Entfernungen zu bestimmen.
Alternativ könnten Astronomen Roman verwenden, um Supernovae mit Gravitationslinsen zu untersuchen. Diese Methode zur Untersuchung der Hubble-Konstante unterscheidet sich von herkömmlichen Methoden, da sie auf geometrischen Methoden und nicht auf Helligkeit basiert.
„Roman ist das ideale Werkzeug, um die Untersuchung von Supernovae mit Gravitationslinsen in Gang zu bringen“, sagte Lou Strolger vom Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Co-Leiter des Teams, das Romans Untersuchung dieser Objekte vorbereitet. „Sie sind selten und sehr schwer zu finden. Wir hatten Glück, einige von ihnen früh genug zu entdecken. Romans großes Sichtfeld und die wiederholten Aufnahmen in hoher Auflösung werden diese Chancen erhöhen.“
Mithilfe verschiedener Observatorien wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA haben Astronomen nur acht durch Gravitationslinsen erzeugte Supernovae im Universum entdeckt. Aufgrund der Art der Supernovae und der Dauer ihrer zeitverzögerten Bildgebung waren jedoch nur zwei dieser acht brauchbare Kandidaten für die Messung der Hubble-Konstante.
Gravitationslinsen treten auf, wenn das Licht eines Objekts, beispielsweise einer Sternexplosion, auf seinem Weg zur Erde eine Galaxie oder einen Galaxienhaufen passiert und durch das immense Gravitationsfeld abgelenkt wird. Das Licht spaltet sich entlang verschiedener Pfade und erzeugt mehrere Bilder der Supernova am Himmel, wie wir sie sehen.
Abhängig von den Unterschieden zwischen den Pfaden erscheinen die Supernova-Bilder um Stunden bis Monate oder sogar Jahre verzögert. Die genaue Messung dieses Unterschieds in den Ankunftszeiten zwischen den mehreren Bildern führt zu einer Kombination von Entfernungen, die die Hubble-Konstante einschränken.
„Die Untersuchung dieser Entfernungen auf eine grundlegend andere Art und Weise als mit herkömmlichen Methoden, in diesem Fall mit demselben Observatorium, kann Aufschluss darüber geben, warum verschiedene Messtechniken zu unterschiedlichen Ergebnissen geführt haben“, fügte Justin Pierel von STScI, Strolgers Co-Leiter des Programms, hinzu .
Die Nadel im Heuhaufen finden
Romans umfangreiche Durchmusterungen werden in der Lage sein, das Universum viel schneller zu kartieren als Hubble, da das Teleskop mehr als das Hundertfache der Hubble-Fläche in einem einzigen Bild „sehen“ kann.
„Anstatt mehrere Bilder von Bäumen zu sammeln, wird uns dieses neue Teleskop ermöglichen, den gesamten Wald in einem einzigen Schnappschuss zu sehen“, erklärte Pierel.
Insbesondere wird die High Latitude Time Domain Survey denselben Bereich des Himmels wiederholt beobachten, was es Astronomen ermöglichen wird, Ziele zu untersuchen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Das bedeutet, dass eine außergewöhnliche Datenmenge – jedes Mal über 5 Milliarden Pixel – durchsucht werden muss, um diese sehr seltenen Ereignisse zu finden.
„Da diese selten sind, hängt die Ausschöpfung des vollen Potenzials von Supernovae mit Gravitationslinsen von einem hohen Maß an Vorbereitung ab“, sagte Pierel. „Wir möchten alle Tools zum Auffinden dieser Supernovae im Voraus bereitstellen, damit wir keine Zeit damit verschwenden, Terabytes an Daten zu durchsuchen, wenn sie eintreffen.“
Das Projekt wird von einem Team von Forschern aus verschiedenen NASA-Zentren und Universitäten im ganzen Land durchgeführt.
Die Vorbereitung erfolgt in mehreren Etappen. Das Team wird Datenreduktionspipelines erstellen, die darauf ausgelegt sind, Supernovae mit Gravitationslinseneffekten in römischen Bildern automatisch zu erkennen. Um diese Pipelines zu trainieren, werden die Forscher auch simulierte Bilder erstellen: Es werden 50.000 simulierte Linsen benötigt, und derzeit sind nur 10.000 tatsächliche Linsen bekannt.
Die von Strolger und Pierels Team geschaffenen Datenreduktionspipelines werden Pipelines ergänzen, die zur Untersuchung der Dunklen Energie mit Supernovae vom Typ Ia geschaffen werden.
„Roman ist wirklich die erste Gelegenheit, eine Goldstandardprobe von Supernovae mit Gravitationslinsen zu erzeugen“, schloss Strolger. „Alle unsere Vorbereitungen werden jetzt alle notwendigen Komponenten bereitstellen, um sicherzustellen, dass wir das enorme Potenzial der Kosmologie effektiv nutzen können.“