Questa immagine composita mostra la supernova di tipo Ia con lente gravitazionale iPTF16geu, come si vede con diversi telescopi. L'immagine di sfondo mostra una vista ad ampio campo del cielo notturno come si vede con l'Osservatorio di Palomar situato sul Monte Palomar, California. Immagine all'estrema sinistra:catturata dallo Sloan Digital Sky Survey, questa osservazione della luce ottica mostra la galassia dell'obiettivo e l'ambiente circostante nel cielo. Immagine al centro a sinistra:catturata dal telescopio spaziale Hubble, questa è un'immagine a infrarossi con zoom 20x della galassia dell'obiettivo. Immagine al centro a destra:catturata dal telescopio spaziale Hubble, questo zoom ottico 5x rivela le quattro immagini con lente gravitazionale di iPTF16geu. Immagine all'estrema destra:catturata dal telescopio Keck, questa osservazione a infrarossi presenta le quattro immagini con lente gravitazionale di iPTF16geu e l'"arco" gravitazionale della sua galassia ospite. Credito:Joel Johansson, Università di Stoccolma
Con l'aiuto di un oleodotto automatizzato per la caccia alla supernova e una galassia situata a 2 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra che funge da "lente d'ingrandimento, Gli astronomi hanno catturato più immagini di una supernova di tipo Ia, la brillante esplosione di una stella, che appare in quattro punti diversi del cielo. Finora questo è l'unico tipo Ia scoperto che ha mostrato questo effetto.
Questo fenomeno chiamato "lente gravitazionale" è un effetto della teoria della relatività di Einstein:la massa piega la luce. Ciò significa che il campo gravitazionale di un oggetto massiccio, come una galassia, può piegare i raggi di luce che passano vicino e rifocalizzarli da qualche altra parte, facendo apparire gli oggetti sullo sfondo più luminosi e talvolta in più posizioni. Gli astrofisici credono che se riescono a trovare più di questi tipi Ia ingranditi, potrebbero essere in grado di misurare la velocità di espansione dell'Universo con una precisione senza precedenti e far luce sulla distribuzione della materia nel cosmo.
Fortunatamente, dando uno sguardo più da vicino alle proprietà di questo raro evento, due ricercatori del Law-rence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno escogitato un metodo, una conduttura, per identificare più di queste cosiddette "supernovae di tipo Ia fortemente lente" nelle indagini esistenti e future ad ampio campo. Un articolo che descrive il loro approccio è stato recentemente pubblicato nel Lettere per riviste astrofisiche . Nel frattempo, un documento che descrive in dettaglio la scoperta e le osservazioni della supernova di tipo Ia di 4 miliardi di anni fa, iPTF16geu, è stato pubblicato in Scienza il 21 aprile.
"È estremamente difficile trovare una supernova con lenti gravitazionali, figuriamoci un tipo Ia con lenti. Statisticamente, sospettiamo che ce ne possa essere circa uno ogni 50, 000 supernovae che identifichiamo, "dice Peter Nugent, un astrofisico nella divisione di ricerca computazionale del Berkeley Lab (CRD) e un autore su entrambi i documenti. "Ma dalla scoperta di iPTF16geu, ora abbiamo alcune idee su come migliorare la nostra pipeline per identificare più di questi eventi".
La luce della supernova iPTF16geu e della sua galassia ospite è deformata e amplificata dalla curvatura della massa spaziale di una galassia in primo piano. Nel caso della supernova puntiforme, la luce è divisa in quattro immagini. Questi sono stati risolti con il telescopio spaziale Hubble. Credito:immagine originale di ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al. curato e modificato da Joel Johansson
La sorpresa cosmica getta nuova luce sulla cosmologia
Per molti anni, la natura transitoria delle supernove le rendeva estremamente difficili da rilevare. Trenta anni fa, il tasso di scoperta era di circa due al mese. Ma grazie all'Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), una nuova indagine con una pipeline innovativa, questi eventi vengono rilevati quotidianamente, alcuni entro poche ore da quando compaiono le loro esplosioni iniziali.
Il processo di identificazione degli eventi transitori, come supernove, inizia ogni sera al Palomar Observatory nel sud della California, dove una telecamera ad ampio campo montata sul robot Samuel Oschin Telescope scansiona il cielo. Non appena vengono prese le osservazioni, i dati viaggiano per più di 400 miglia al National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Department of Energy (DOE), che si trova al Berkeley Lab. Al NERSC, gli algoritmi di apprendimento automatico in esecuzione sui supercomputer della struttura setacciano i dati in tempo reale e identificano i transitori su cui i ricercatori devono seguire.
Il 5 settembre, 2016, il gasdotto ha identificato iPTF16geu come una supernova candidata. A prima vista, l'evento non sembrava particolarmente fuori dall'ordinario. Nugent osserva che molti astronomi pensavano che fosse solo una tipica supernova di tipo Ia situata a circa 1 miliardo di anni luce dalla Terra.
Come la maggior parte delle supernove scoperte relativamente presto, questo evento è diventato più luminoso con il tempo. Poco dopo aver raggiunto il picco di luminosità (19° magnitudine), Ariel Goobar, professore dell'Università di Stoccolma in astrofisica sperimentale delle particelle, ha deciso di eseguire uno spettro, o uno studio dettagliato della luce, dell'oggetto. I risultati hanno confermato che l'oggetto era effettivamente una supernova di tipo Ia, ma hanno anche dimostrato che, sorprendentemente, si trovava a 4 miliardi di anni luce di distanza. Un secondo spettro preso con lo strumento OSIRIS sul telescopio Keck su Mauna Kea, Hawaii, ha mostrato senza dubbio che la supernova era distante 4 miliardi di anni luce, e ha anche rivelato la sua galassia ospite e un'altra galassia situata a circa 2 miliardi di anni luce di distanza che fungeva da lente gravitazionale, che amplificava la luminosità della supernova e la faceva apparire in quattro punti diversi del cielo.
"Cerco una supernova con lenti da circa 15 anni. Ho guardato in ogni possibile indagine, Ho provato una varietà di tecniche per farlo e sostanzialmente ho rinunciato, quindi questo risultato è stato un'enorme sorpresa, "dice Goobar, chi è l'autore principale di Scienza carta. "Uno dei motivi per cui sono interessato a studiare le lenti gravitazionali è che ti permettono di misurare la struttura della materia, sia visibile che oscura, a scale che sono molto difficili da ottenere".
Secondo Goobar, il sondaggio a Palomar è stato impostato per osservare gli oggetti nell'Universo vicino, distante circa 1 miliardo di anni luce. Ma trovare una distante supernova di tipo Ia in questa indagine ha permesso ai ricercatori di seguire telescopi ancora più potenti che hanno risolto strutture su piccola scala nella galassia ospite della supernova, così come la galassia lente che lo sta ingrandendo.
"Ci sono miliardi di galassie nell'universo osservabile e ci vuole uno sforzo tremendo per guardare in una piccola parte del cielo per trovare questo tipo di eventi. Sarebbe impossibile trovare un evento come questo senza una supernova ingrandita che ti diriga dove guardare, " dice Goobar. "Siamo stati molto fortunati con questa scoperta perché possiamo vedere le strutture su piccola scala in queste galassie, ma non sapremo quanto siamo fortunati finché non troveremo altri di questi eventi e confermeremo che ciò che stiamo vedendo non è un'anomalia".
Un altro vantaggio di trovare più di questi eventi è che possono essere usati come strumenti per misurare con precisione il tasso di espansione dell'Universo. Una delle chiavi di questo è la lente gravitazionale. Quando una forte lente gravitazionale produce più immagini di un oggetto sullo sfondo, la luce di ogni immagine percorre un percorso leggermente diverso attorno all'obiettivo nel suo cammino verso la Terra. I percorsi hanno lunghezze diverse, quindi la luce di ciascuna immagine impiega un tempo diverso per arrivare sulla Terra.
"Se misuri i tempi di arrivo delle diverse immagini, che risulta essere un buon modo per misurare il tasso di espansione dell'Universo, " dice Goobar. "Quando le persone misurano il tasso di espansione dell'Universo ora localmente usando le supernovae o le stelle Cefeidi, ottengono un numero diverso da quelli che osservano le osservazioni dell'universo primordiale e il fondo cosmico a microonde. C'è tensione là fuori e sarebbe bello se potessimo contribuire a risolvere questa ricerca".
Questa è un'immagine della supernova di tipo Ia con lente gravitazionale iPTF16geu scattata nel vicino infrarosso con il W.M. Osservatorio Keck. La galassia visibile al centro ha distorto e piegato la luce di iPTF16geu, che c'è dietro, per produrre più immagini della stessa supernova (vista intorno alla galassia centrale). La posizione, la dimensione e la luminosità di queste immagini aiutano gli astronomi a dedurre le proprietà della galassia lente. Credito:Osservatorio W. M. Keck
Nuovi metodi annusare le supernovae con lenti
Secondo Danny Goldstein, uno studente laureato in astronomia dell'Università di Berkeley e autore della lettera dell'Astrophysical Journal, sono state scoperte solo poche supernovae con lenti gravitazionali di qualsiasi tipo, compreso iPTF16geu, e sono stati tutti scoperti per caso.
"Capendo come trovare sistematicamente supernovae di tipo Ia fortemente lente come iPTF16geu, speriamo di aprire la strada a ricerche di supernova con lenti su larga scala, che sbloccherà il potenziale di questi oggetti come strumenti per la cosmologia di precisione, "dice Goldstein, che ha lavorato con Nugent per escogitare un metodo per trovarli nelle indagini ad ampio campo esistenti e future.
L'idea chiave della loro tecnica è usare il fatto che le supernove di tipo Ia sono "candele standard" - oggetti con la stessa luminosità intrinseca - per identificare quelle che vengono ingrandite dall'obiettivo. Suggeriscono di iniziare con supernovae che sembrano esplodere nelle galassie rosse che hanno smesso di formare stelle. Queste galassie ospitano solo supernove di tipo Ia e costituiscono la maggior parte delle lenti gravitazionali. Se una supernova candidata che sembra essere ospitata in una tale galassia è più luminosa della luminosità "standard" di una supernova di tipo Ia, Goldstein e Nugent sostengono che esiste una forte possibilità che la super-pernova non risieda effettivamente nella galassia, ma è invece una supernova di sfondo, ripresa dall'apparente ospite.
"Una delle innovazioni di questo metodo è che non dobbiamo rilevare più immagini per dedurre che una supernova è obiettivo, " dice Goldstein. "Questo è un enorme vantaggio che dovrebbe consentirci di trovare più di questi eventi di quanto si pensasse in precedenza possibile".
Usando questo metodo, Nugent e Goldstein prevedono che il prossimo Large Synoptic Survey Telescope dovrebbe essere in grado di rilevare circa 500 supernovae di tipo Ia fortemente lente nel corso di 10 anni, circa 10 volte di più rispetto alle stime precedenti. Nel frattempo, la struttura transitoria di Zwicky, che inizia a rilevare i dati nell'agosto 2017 a Palomar, dovrebbe trovare circa 10 di questi eventi in una ricerca di tre anni. Gli studi in corso mostrano che ogni immagine di supernova di tipo Ia con l'obiettivo ha il potenziale per fare un quattro percento, o meglio, misurazione della velocità di espansione dell'universo. Se realizzato, questo potrebbe aggiungere uno strumento molto potente per sondare e misurare i parametri cosmologici.
"Stiamo arrivando solo ora al punto in cui i nostri sondaggi transitori sono abbastanza grandi, le nostre condutture sono abbastanza efficienti, e i nostri set di dati esterni sono abbastanza ricchi da consentirci di intrecciare i dati e ottenere questi eventi rari, " aggiunge Goldstein. "È un momento emozionante per lavorare in questo campo".
iPTF è una collaborazione scientifica tra Caltech; Laboratorio Nazionale di Los Alamos; l'Università del Wisconsin, Milwaukee; il Centro Oskar Klein in Svezia; il Weizmann Institute of Science in Israele; il Programma TANGO del Sistema Universitario di Taiwan; e l'Istituto Kavli per la fisica e la matematica dell'universo in Giappone. NERSC è un DOE Office of Science User Facility.
