Med hjälp av en automatiserad supernovajaktledning och en galax som sitter 2 billejon ljusår från jorden som fungerar som ett "förstoringsglas, '' astronomer har tagit flera bilder av en supernova av typ Ia - en lysande explosion av en stjärna - som dyker upp på fyra olika platser på himlen. Hittills är detta den enda typ Ia som har upptäckt denna effekt.

Detta fenomen som kallas "gravitationslinsering" är en effekt av Einsteins relativitetsteori - massan böjer ljus. Detta innebär att ett massivt föremåls gravitationsfält - som en galax - kan böja ljusstrålar som passerar i närheten och återfokusera dem någon annanstans, vilket gör att bakgrundsobjekt ser ljusare ut och ibland på flera platser. Astrofysiker tror att om de kan hitta fler av dessa förstorade typ Ia, de kanske kan mäta hastigheten på universums expansion till oöverträffad noggrannhet och belysa fördelningen av materia i kosmos.

Lyckligtvis, genom att titta närmare på egenskaperna hos denna sällsynta händelse, två Law-rence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) forskare har kommit fram till en metod-en pipeline-för att identifiera fler av dessa så kallade "starkt linsade Type Ia-supernovor" i befintliga och framtida breda fältundersökningar. Ett papper som beskriver deras tillvägagångssätt publicerades nyligen i Astrofysiska tidskriftsbrev . Under tiden, ett papper som beskriver upptäckten och observationerna av den 4 miljarder år gamla supernova av typ Ia, iPTF16geu, publicerades i Vetenskap den 21 april.

"Det är extremt svårt att hitta en gravitationellt objektivad supernova, än mindre en linsad typ Ia. Statistiskt sett vi misstänker att det kan finnas ungefär en av dessa i varje 50, 000 supernovor som vi identifierar, "säger Peter Nugent, en astrofysiker vid Berkeley Labs Computational Research Division (CRD) och en författare på båda pa-pers. "Men sedan upptäckten av iPTF16geu, Vi har nu några tankar om hur vi kan förbättra vår pipeline för att identifiera fler av dessa händelser. "

Cosmic Surprise kastar nytt ljus på kosmologi

Under många år, supernovornas övergående natur gjorde dem extremt svåra att upptäcka. Trettio år sedan, upptäckten var cirka två per månad. Men tack vare Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), en ny undersökning med en innovativ pipeline, dessa händelser upptäcks dagligen, några inom timmar efter det att deras första explosioner uppträder.

Processen att identifiera övergående händelser, som supernovor, börjar varje kväll vid Palomar -observatoriet i södra Kalifornien, där en bredfältskamera monterad på det robotiska Samuel Oschin-teleskopet skannar himlen. Så snart observationer tas, data reser mer än 400 miles till Department of Energy's (DOE's) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som ligger på Berkeley Lab. På NERSC, maskininlärningsalgoritmer som körs på anläggningens superdatorer sållar igenom data i realtid och identifierar transienter som forskare kan följa upp.

Den 5 september, 2016, pipeline identifierade iPTF16geu som en supernovakandidat. Vid första ögonkastet, evenemanget såg inte särskilt ovanligt ut. Nugent konstaterar att många astronomer trodde att det bara var en typisk typ Ia -supernova som satt cirka 1 miljard ljusår från jorden.

Liksom de flesta supernovor som upptäcks relativt tidigt, denna händelse blev ljusare med tiden. Strax efter att den nådde sin maximala ljusstyrka (19:e storleken) bestämde sig Stockholms universitetsprofessor i experimentell partikelastrofysik Ariel Goobar för att ta ett spektrum-eller detaljerad ljusstudie-av objektet. Resultaten bekräftade att objektet verkligen var en typ Ia -supernova, men de visade också att förvånande, den befann sig 4 miljarder ljusår bort. Ett andra spektrum taget med OSIRIS-in-strumentet på Keck-teleskopet på Mauna Kea, Hawaii, visade utan tvekan att supernova var 4 miljarder ljusår bort, och avslöjade också dess värdgalax och en annan galax belägen cirka 2 miljarder ljusår bort som fungerade som en gravita-objektiv, vilket förstärkte supernovans ljusstyrka och fick den att visas på fyra olika platser på himlen.

"Jag har letat efter en objektivad supernova i cirka 15 år. Jag letade i varje möjlig undersökning, Jag har provat en mängd olika tekniker för att göra detta och gav i princip upp, så detta resultat kom som en stor överraskning, säger Goobar, som är huvudförfattare till Vetenskap papper. "En av anledningarna till att jag är intresserad av att studera gravitationslinser är att den låter dig mäta materiens struktur - både synlig och mörk materia - i skalor som är mycket svåra att få."

Enligt Goobar, undersökningen vid Palomar inrättades för att titta på föremål i det närliggande universum, cirka 1 miljard ljusår bort. Men att hitta en avlägsen typ Ia su-pernova i denna undersökning gjorde det möjligt för forskare att följa upp med ännu kraftfullare teleskop som löste småskaliga strukturer i supernovavärdgalaxen, liksom linsgalaxen som förstorar den.

"Det finns miljarder galaxer i det observerbara universum och det tar en enorm ansträngning att titta i en mycket liten del av himlen för att hitta den här typen av händelser. Det skulle vara omöjligt att hitta en händelse som denna utan en förstorad supernova som leder dig vart att titta, "säger Goobar." Vi hade mycket tur med denna upptäckt eftersom vi kan se småskaliga strukturer i dessa galaxer, men vi kommer inte att veta hur lyckliga vi är förrän vi hittar fler av dessa händelser och bekräftar att det vi ser inte är en anomali. "

En annan fördel med att hitta fler av dessa händelser är att de kan användas som verktyg för att exakt mäta universums expansionshastighet. En av nycklarna till detta är gravitationell linser. När en stark gravitationslins producerar flera bilder av ett bakgrundsobjekt, varje bilds ljus färdas en något annorlunda väg runt linsen på väg till jorden. Banorna har olika längder, så ljus från varje bild tar olika lång tid att komma fram till jorden.

"Om du mäter ankomsttiden för de olika bilderna, det visar sig vara ett bra sätt att mäta universums expansionshastighet, "säger Goobar." När människor mäter universums expansionshastighet nu lokalt med hjälp av supernovaer eller Cepheidstjärnor får de ett annat antal än de som tittar på tidiga universums observationer och den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Det finns spänningar där ute och det vore trevligt om vi kunde bidra till att lösa det uppdraget. "

Nya metoder sniffar ut linserade supernovor

Enligt Danny Goldstein, en doktorand i astronomi vid UC Berkeley och författare till Astrophysical Journal -brevet, det har bara funnits några gravitationslinserade supernovor av någon typ som någonsin upptäckts, inklusive iPTF16geu, och de har alla upptäckts av en slump.

"Genom att ta reda på hur man systematiskt hittar starlinserade supernovor av typ Ia som iPTF16geu, vi hoppas kunna bana väg för storskaliga objektiv med supernovasökningar, som kommer att låsa upp dessa föremåls potential som verktyg för precisionskosmologi, "säger Goldstein, som arbetade med Nugent för att ta fram en metod för att hitta dem i befintliga och kommande breda fältundersökningar.

Nyckeltanken med deras teknik är att använda det faktum att typ Ia-supernovor är "stan-dard-ljus"-objekt med samma inneboende ljusstyrka-för att identifiera sådana som förstoras med linser. De föreslår att man börjar med supernovor som verkar gå av i röda galaxer som slutat bilda stjärnor. Dessa galaxer är endast värd för typ Ia su-pernovae och utgör huvuddelen av gravitationella linser. Om en supernovakandidat som verkar vara värd i en sådan galax är ljusare än "standard" -ljusstyrkan för en typ Ia -supernova, Goldstein och Nugent hävdar att det finns en stor chans att su-pernova inte faktiskt bor i galaxen, men är istället en bakgrunds super-nova som linsas av den skenbara värden.

"En av innovationerna med den här metoden är att vi inte behöver upptäcka flera bilder för att dra slutsatsen att en supernova är linsad, "säger Goldstein." Det här är en enorm fördel som borde göra det möjligt för oss att hitta fler av dessa händelser än vad man tidigare trodde var möjligt. "

Med denna metod, Nugent och Goldstein förutspår att det kommande Large Synoptic Survey Telescope ska kunna upptäcka cirka 500 starkt linserade Super Ia-supernovor under tio år-cirka 10 gånger mer än tidigare uppskattningar. Under tiden, Zwicky Transient Facility, som börjar ta data i augusti 2017 på Palomar, bör hitta cirka 10 av dessa händelser i en treårig sökning. Pågående studier visar att varje linsad typ Ia-supernovabild har potential att göra fyra procent, eller bättre, mätning av universums expansionshastighet. Om insett, detta kan lägga till ett mycket kraftfullt verktyg för att mäta och mäta de kosmologiska parametrarna.

"Vi kommer just nu till den punkt där våra övergående undersökningar är tillräckligt stora, våra rörledningar är tillräckligt effektiva, och våra externa datamängder är tillräckligt rika för att vi kan väva igenom data och komma till dessa sällsynta händelser, "tillägger Goldstein." Det är en spännande tid att arbeta inom detta område. "

iPTF är ett vetenskapligt samarbete mellan Caltech; Los Alamos nationella laboratorium; University of Wisconsin, Milwaukee; Oskar Klein Center i Sverige; Weizmann Institute of Science i Israel; TANGO-programmet vid University Sys-tem i Taiwan; och Kavli-institutet för fysik och matematik vid Uni-versen i Japan. NERSC är en DOE Office of Science User Facility.