1929 överraskade Edwin Hubble många människor – inklusive Albert Einstein – när han visade att universum expanderar. En annan bomb kom 1998 när två team av astronomer bevisade att den kosmiska expansionen faktiskt påskyndas på grund av en mystisk egenskap hos rymden som kallas mörk energi. Denna upptäckt gav det första beviset på vad som nu är den härskande modellen av universum:"Lambda-CDM, " som säger att kosmos är ungefär 70 procent mörk energi, 25 procent mörk materia och 5 procent "normal" materia (allt vi någonsin har observerat).

Fram till 2016, Lambda-CDM stämde vackert med årtionden av kosmologiska data. Sedan använde ett forskarlag Hubble Space Telescope för att göra en extremt exakt mätning av den lokala kosmiska expansionshastigheten. Resultatet var en annan överraskning:forskarna fann att universum expanderade lite snabbare än Lambda-CDM och Cosmic Microwave Background (CMB), relikstrålning från Big Bang, förutspått. Så det verkar vara något fel – kan denna avvikelse vara ett systematiskt fel, eller möjligen ny fysik?

Astrofysiker vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Institutet för kosmologi och gravitation vid University of Portsmouth i Storbritannien tror att starkt linsförsedda supernovor av typ Ia är nyckeln till att besvara denna fråga. Och i en ny Astrofysisk tidskrift papper, de beskriver hur man kontrollerar "mikrolensering, " en fysisk effekt som många forskare trodde skulle vara en stor källa till osäkerhet inför dessa nya kosmiska sonder. De visar också hur man identifierar och studerar dessa sällsynta händelser i realtid.

"Ända sedan CMB-resultatet kom ut och bekräftade det accelererande universum och förekomsten av mörk materia, kosmologer har försökt göra bättre och bättre mätningar av de kosmologiska parametrarna, krympa felstaplarna, " säger Peter Nugent, en astrofysiker vid Berkeley Labs Computational Cosmology Center (C3) och medförfattare på tidningen. "Felstaplarna är nu så små att vi borde kunna säga "det här och det här överensstämmer, så resultaten som presenterades 2016 introducerade en stor spänning i kosmologi. Vårt papper presenterar en väg framåt för att avgöra om den nuvarande oenigheten är verklig eller om det är ett misstag."

Bättre avståndsmarkörer kastar ljusare ljus över kosmisk historia

Ju längre bort ett objekt är i rymden, ju längre tid det tar för dess ljus att nå jorden. Så ju längre ut vi tittar, ju längre tillbaka i tiden vi ser. I årtionden, Typ Ia supernovor har varit exceptionella avståndsmarkörer eftersom de är utomordentligt ljusa och lika i ljusstyrka oavsett var de sitter i kosmos. Genom att titta på dessa föremål, forskare upptäckte att mörk energi driver fram kosmisk expansion.

Men förra året hittade ett internationellt team av forskare en ännu mer tillförlitlig avståndsmarkör – den första starkt linsade Type Ia-supernovan någonsin. Dessa händelser inträffar när gravitationsfältet hos ett massivt objekt – som en galax – böjer sig och fokuserar om passerande ljus från en typ Ia-händelse bakom det. Denna "gravitationslinsning" gör att supernovans ljus ser ljusare ut och ibland på flera platser, om ljusstrålarna vandrar olika vägar runt det massiva föremålet.

Eftersom olika vägar runt det massiva föremålet är längre än andra, ljus från olika bilder av samma typ Ia-händelse kommer att anlända vid olika tidpunkter. Genom att spåra tidsfördröjning mellan de kraftigt linsade bilderna, astrofysiker tror att de kan få en mycket exakt mätning av den kosmiska expansionshastigheten.

"Supernovor med stark lins är mycket sällsynta än konventionella supernovor – de är en av 50, 000. Även om denna mätning först föreslogs på 1960-talet, det har aldrig gjorts eftersom endast två starkt linsade supernovor har upptäckts hittills, ingen av dem var mottaglig för tidsfördröjningsmätningar, säger Danny Goldstein, en doktorand vid UC Berkeley och huvudförfattare om det nya Astrofysisk tidskrift papper.

Efter att ha kört ett antal beräkningsintensiva simuleringar av supernovaljus vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en Department of Energy Office of Science User Facility belägen vid Berkeley Lab, Goldstein och Nugent misstänker att de kommer att kunna hitta ungefär 1, 000 av dessa starkt linsade supernovor av typ Ia i data som samlats in av det kommande Large Synoptic Survey Telescope (LSST) – ungefär 20 gånger fler än tidigare förväntningar. Dessa resultat är grunden för deras nya papper i Astrofysisk tidskrift .

"Med tre linserade kvasarer – kosmiska fyrar som kommer från massiva svarta hål i galaxernas centrum – mätte samarbetspartners och jag expansionshastigheten till 3,8 procents precision. Vi fick ett värde högre än CMB-mätningen, men vi behöver fler system för att vara riktigt säkra på att något är fel med standardmodellen för kosmologi, säger Thomas Collett, en astrofysiker vid University of Portsmouth och en medförfattare på det nya Astrofysisk tidskrift papper. "Det kan ta år att få en tidsfördröjningsmätning med kvasarer, men det här arbetet visar att vi kan göra det för supernovor på månader. Tusen supernovor med linser kommer att låta oss verkligen spika upp kosmologin."

Förutom att identifiera dessa händelser, NERSC-simuleringarna hjälpte dem också att bevisa att starkt linsförsedda supernovor av typ Ia kan vara mycket exakta kosmologiska sonder.

"När kosmologer försöker mäta tidsfördröjningar, problemet de ofta stöter på är att enskilda stjärnor i linsgalaxen kan förvränga ljuskurvorna för de olika bilderna av händelsen, gör det svårare att matcha dem, " säger Goldstein. "Denna effekt, känd som "mikrolensing, ' gör det svårare att mäta exakta tidsfördröjningar, som är väsentliga för kosmologi."

Men efter att ha kört sina simuleringar, Goldstein och Nugent fann att mikrolinsning inte ändrade färgerna på starkt linsad supernova av typ Ia i deras tidiga faser. Så forskare kan subtrahera de oönskade effekterna av mikrolinsning genom att arbeta med färger istället för ljuskurvor. När dessa oönskade effekter har subtraheras, forskare kommer enkelt att kunna matcha ljuskurvorna och göra exakta kosmologiska mätningar.

De kom till denna slutsats genom att modellera supernovorna med SEDONA-koden, som utvecklades med finansiering från två DOE Scientific Discovery genom Advanced Computing (SciDAC) institut för att beräkna ljuskurvor, spektra och polarisering av asfäriska supernovamodeller.

"I början av 2000-talet finansierade DOE två SciDAC-projekt för att studera supernovaexplosioner, vi tog i princip resultatet av dessa modeller och skickade dem genom ett linssystem för att bevisa att effekterna är akromatiska, säger Nugent.

"Simuleringarna ger oss en bländande bild av en supernovas inre funktion, med en detaljnivå som vi aldrig skulle kunna veta annars, säger Daniel Kasen, en astrofysiker vid Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning, och en medförfattare på tidningen. "Framsteg inom högpresterande beräkningar gör det äntligen möjligt för oss att förstå stjärnornas explosiva död, och den här studien visar att sådana modeller behövs för att ta reda på nya sätt att mäta mörk energi."

Tar Supernova Hunting till det extrema

När LSST inleder full undersökningsverksamhet 2023, den kommer att kunna skanna hela himlen på bara tre nätter från sin sittplats på Cerro Pachón-ryggen i norra centrala Chile. Under sitt 10-åriga uppdrag, LSST förväntas leverera över 200 petabyte data. Som en del av LSST Dark Energy Science Collaboration, Nugent och Goldstein hoppas att de kan köra en del av denna data genom en ny supernova-detektionspipeline, baserad på NERSC.

I mer än ett decennium, Nugents pipeline för transientdetektering i realtid som körs på NERSC har använt maskininlärningsalgoritmer för att genomsöka observationer som samlats in av Palomar Transient Factor (PTF) och sedan Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) – varje natt letat efter "transienta" objekt som förändras i ljusstyrka eller position genom att jämföra de nya observationerna med alla data som samlats in från tidigare nätter. Inom några minuter efter att en intressant händelse upptäckts, maskiner på NERSC utlöser sedan teleskop runt om i världen för att samla in uppföljande observationer. Faktiskt, det var denna pipeline som avslöjade den första starkt linsade supernovan av typ Ia tidigare i år.

"Det vi hoppas kunna göra för LSST liknar det vi gjorde för Palomar, men gånger 100, " säger Nugent. "Det kommer att bli en flod av information varje kväll från LSST. Vi vill ta den informationen och fråga vad vi vet om den här delen av himlen, vad har hänt där tidigare och är detta något vi är intresserade av för kosmologin?"

Han tillägger att när forskare identifierat det första ljuset av en starkt linsad supernovahändelse, beräkningsmodellering kan också användas för att exakt förutsäga när nästa av ljuset kommer att dyka upp. Astronomer kan använda denna information för att utlösa mark- och rymdbaserade teleskop för att följa upp och fånga detta ljus, i huvudsak tillåter dem att observera en supernova sekunder efter att den slocknat.

"Jag kom till Berkeley Lab för 21 år sedan för att arbeta med supernova-strålningsöverföringsmodellering och nu har vi för första gången använt dessa teoretiska modeller för att bevisa att vi kan göra kosmologi bättre, " säger Nugent. "Det är spännande att se DOE skörda frukterna av investeringar i beräkningskosmologi som de började göra för decennier sedan."