Supernova observeret gennem ekstremt sjældent kosmisk fænomen

Mennesker har observeret eksploderende stjerner i 1.000 år. De såkaldte supernovaer er ekstremt lysstærke, fordi de på én gang frigiver al den energi, som stjernen ellers ville have været milliarder af år om at udsende.

Alligevel er en supernova, der befinder sig hele ni milliarder lysår væk, en udfordring at få øje på, når man bare er et lillebitte menneske med sit lillebitte teleskop på en planet ved navn Jorden et sted i Mælkevejen.

Men det var netop, hvad et forskerhold for nylig gjorde, da de spottede supernovaen ‘Refsdal’. Ikke nok med det; det viste sig, at det var lykkedes at tage fire billeder af lyset fra den samme supernova.

Det har ingen gjort før.

»Jeg var helt oppe at ringe, da jeg spottede de fire lysgengivelser omkring galaksen. Det var en stor overraskelse,« lyder det fra postdoc ved University of California Patrick Kelly, som var den, der først opdagede billederne af supernovaen, i en pressemeddelelse.

En begejstret Jens Hjorth fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet supplerer:

»Ud over at der er en videnskabelig interesse i vores fund, er det også bare fantastisk at være med til at finde noget, der er så sjældent. Vi har været meget, meget heldige,« siger professoren, som var halvdelen af det danske islæt i den videnskabelige artikel, der netop er udkommet i tidsskriftet Science.

Galaksehobe er naturens eget forstørrelsesglas

Når det kan lade sig gøre at se en eksploderende stjerne ni milliarder lysår væk, så skyldes det et særligt fænomen ved navn ’gravitationslinseeffekten’. Simpelt fortalt er en gravitationslinse et objekt – som for eksempel en galakse – der ligger på en nøjagtig lige linje med et fjernere objekt – i dette tilfælde en supernova.

Gravitationslinseeffekten er naturens eget gigantiske forstørrelsesglas, som forstærker lyset fra fjerne objekter og gør det muligt for os her på Jorden at observere dem.

Men i tilfældet med ‘Refsdal’ er der en tilføjelse: Lyset bliver ikke blot forstærket én, men hele to gange.

»Den massive galaksehob fokuserer lyset fra supernovaen langs mindst tre separate veje, og én af disse lysveje rammer tilfældigvis præcist sammen med en stor elliptisk galakse i galaksehoben. Derfor opstår endnu en linse-effekt,« forklarer Jens Hjorth.

Du kan se en illustration af lysets vej fra supernovaen til Jorden i animationen herunder.

Kollega: »De har skudt papegøjen«

Gravitationslinseeffekten er ikke noget nyt fænomen. Den blev faktisk allerede forudsagt, da den tyske fysiker Albert Einstein lavede en ny teori for tyngdekraften – eller sagt mere korrekt; en ny teori for ’gravitation’. Teorien blev verdenskendt som den generelle relativitetsteori.

Det gjorde han for 100 år siden. For 50 år siden udbyggede den norske astronom Sjur Refsdal (heraf supernovaens særegne navn) teorien og fremsatte påstanden om, at man kan observere multi-gengivelser af gravitationelt afbøjet lys under ganske særlige omstændigheder. Sagt med andre ord: Når himmellegemer ligger på en helt særlig måde, kan lyset fra det samme objekt observeres flere gange, fordi det har flere mulige veje ned til os her på Jorden.

For 25 år siden lykkedes det for første gang at fange sådan en observation af en ’kvasar’, som er et aktivt sort hul og en meget lysstærk kilde. Og nu er det så lykkedes at fange en multigengivelse, et såkaldt ’Einsteins kors’, af en supernova.

»Det er set mange gange med kvasarer siden, da der findes en del af dem. Men supernovaer er sjældnere, og så lyser de jo af natur i kortere tid – inden de eksploderer, ser du ikke noget. Heller ikke bagefter. Og så kræver det samtidig en helt særlig opstilling af såvel supernovaen, som de elementer der skal agere forstørrelsesglas. Så det er meget usandsynligt, at man ser det,« fortæller professor Jens Hjorth.

Opdagelsen er da også »fantastisk heldig«, hvis man spørger Allan Hornstrup, som er afdelingsleder for astrofysik på DTU Space. Han har ikke selv deltaget i det nye studie, men ville måske nok ønske, at han havde:

»Ja, for søren da. Vi ser måske en supernova en gang om dagen, og så skal det lige være så heldigt, at den ligger bag en galaksehob, og så skal man lige rette kameraet den vej, og – det er et virkelig heldigt sammenfald af omstændigheder. De har skudt papegøjen med de her billeder.«

Det nye fund kan gøre os klogere på mørkt stof

Også fra Aarhus Universitet lyder der begejstrede røster. Her sidder lektor Maximilian Stritzinger på Institut for Fysik og Astronomi og forsker i supernovaer. I 2013 var han endda med til at finde en helt ny type supernova.

»Resultaterne er meget spændende, fordi det bekræfter forudsigelser i Einsteins gravitationsteorier og giver et flot eksempel på, hvordan studier i supernovaer gennem gravitationslinser kan give os et vigtigt redskab til at forstå og inddæmme mørkt stofs natur,« lyder det fra supernova-entusiasten.

Og det er da også netop muligheden for bedre at forstå mørkt stof, der giver det vigtigste perspektiv i den nye opdagelse, fortæller Jens Hjorth.

»Mørkt stof er stadig et af de helt store mysterier. Vi ved ikke, hvad det er, men vi ved, at det dominerer massefordelingen i universet. Vi kan virkelig bruge det her (nye fund, red.) til at sige noget om massefordelingen i galaksen, og dermed kan vi blive meget klogere på det mørke stof generelt.«

Sådan udregner du fordelingen af mørkt stof

Hvordan man udregner fordelingen af mørkt stof i universet ud fra billeder af en supernova, kan måske bedst forklares ved at lave en opgaveformulering af den type, du fik i matematiktimerne i folkeskolen:

• I de nye billeder ser forskerne supernovaens lys i fire forskellige gengivelser – det vil sige, at lyset har rejst ned til Jorden via fire forskellige ruter.
  
• Lyset når frem til Jorden på fire forskellige tidspunkter med nogle dages mellemrum. De fire ruter tager altså ikke lige lang tid.
  
• På hver af de fire ruter ligger der forskellige forhindringer i form af forskellige typer masse, som lyset skal bevæge sige udenom for at nå frem til os. Lyset tager altid den mest direkte vej uden om forhindringerne.
  
• Forskerne ved, hvor meget lys der er – og kan derfor nogenlunde estimere hvor meget stof der er i galaksehoben.

»Det er massefordeling, der afgør de forskellige veje, som lyset rejser igennem det mørke stof, der ligger i hoben – derfor kan vi regne baglæns og finde ud af, hvordan stoffet fordeler sig og klumper sig sammen,« fortæller Jens Hjorth.

Opgaven lyder altså: Udregn fordelingen af mørkt stof i galaksehoben. Nemmere sagt end gjort, ikke?

Én supernova kan give os forståelse af mørkt stof generelt

Ikke desto mindre er det netop, hvad forskerne nu skal i gang med. Og når lyset fra supernovaen afslører sig selv igen om få år – det er i hvert fald det, forskerne forudsiger i deres videnskabelige artikel – vil de endda få en unik chance for at teste, om de modeller, de så er nået frem til i mellemtiden, også holder.

»Vi regner med, at den – populært sagt – ‘sprænger i luften’ igen inden for de næste fem år. I virkeligheden er det selvfølgelig lyset fra den samme eksplosion, vi kommer til at se endnu en gang. Og hvis det sker på det tidspunkt, vi havde forudsagt, så har vi regnet rigtigt på fordelingen af mørkt stof. Ellers må vi tjekke teorierne efter igen,« siger Jens Hjorth og fortsætter:

»Vi tror, at mørkt stof har nogle universelle egenskaber, og hvis vi kan lære noget om denne her galaksehob, så vil vi også kunne bruge den indsigt til at opnå en generel forståelse af mørkt stof – og i sidste ende få en bedre forståelse af vores oprindelse.«