10 razy więcej supernowych we wczesnym wszechświecie

NASA’S Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Udowodnij swoją wyższość jako łowca supernowych! Dzięki swojej wyjątkowej wrażliwości na światło podczerwone Webb niemal wszędzie wykrywa odległe supernowe.

Webb idealnie nadaje się do identyfikacji bardzo odległych supernowych ze względu na zjawisko zwane kosmicznym przesunięciem ku czerwieni, podczas którego światło podróżujące przez wszechświat jest rozciągane do dłuższych fal. Światło widzialne pochodzące ze starożytnych supernowych jest tak rozciągnięte, że trafia do podczerwieni. Instrumenty Webba są dostrojone do widzenia światła podczerwonego, co czyni je idealnymi do wyszukiwania odległych supernowych.

Korzystając z danych z badania Deep Webb Survey of the Early Universe, zespół zidentyfikował 10 razy bardziej odległe supernowe niż wcześniej sądzono. Badanie to stanowi pierwszy poważny krok w kierunku bardziej kompleksowych badań starożytnych supernowych za pomocą Internetu.

JADES Deep Field wykorzystuje obserwacje wykonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) w ramach programu JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Zespół astronomów badający dane JADES zidentyfikował około 80 obiektów (zakreślonych na zielono), których jasność zmienia się w czasie. Większość tych obiektów, zwanych przejściowymi, powstaje w wyniku eksplodujących gwiazd lub supernowych. Źródło obrazu: NASA, ESA, CSA, STScI, współpraca JADES

Kosmiczny Teleskop Webba otwiera nowe okno na naukę o supernowych

Spoglądając w głąb wszechświata, należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba oferuje naukowcom pierwszy szczegółowy wgląd w supernowe z czasów, gdy nasz Wszechświat stanowił zaledwie ułamek jego obecnego wieku. Zespół korzystający z danych Webba zidentyfikował we wczesnym Wszechświecie liczbę supernowych dziesięć razy większą niż wcześniej sądzono. Kilka niedawno odkrytych supernowych to naciągane przykłady tego rodzaju, w tym te używane do pomiaru tempa ekspansji Wszechświata.

„Webb to maszyna do wykrywania supernowych” – powiedziała Christa DeCourcy, studentka trzeciego roku w Steward Observatory i University of Arizona w Tucson. „Sama liczba odkryć w połączeniu z dużymi odległościami między supernowymi to najbardziej ekscytujące wyniki naszego badania”.

DeCoursey przedstawił te odkrycia na konferencji prasowej podczas 244. spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Madison w stanie Wisconsin.

Źródło zdjęcia: NASA, ESA, CSA, Ann Field (STScI)

„Maszyna do odkrywania supernowych”

Aby dokonać tych odkryć, zespół przeanalizował dane obrazowe uzyskane w ramach programu JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Webb idealnie nadaje się do znajdowania bardzo odległych supernowych, ponieważ ich światło rozciąga się na dłuższe fale, co jest zjawiskiem znanym jako kosmiczne przesunięcie ku czerwieni. (Patrz zdjęcie powyżej.)

Przed wystrzeleniem Webba odkryto tylko kilka supernowych powyżej przesunięcia ku czerwieni wynoszącego 2, co odpowiada czasowi, gdy Wszechświat miał zaledwie 3,3 miliarda lat, czyli zaledwie 25% jego obecnego wieku. Próbka JADES zawiera kilka supernowych, które eksplodowały w przeszłości ze znacznie większymi rozmiarami, gdy Wszechświat miał mniej niż 2 miliardy lat.

Wcześniej badacze korzystali z NASA Kosmiczny teleskop Hubble Oglądać supernowe, gdy Wszechświat znajdował się w fazie „młodej dorosłości”. Korzystając z JADES, naukowcy obserwują supernowe, gdy Wszechświat znajdował się w „okresie dojrzewania” lub „przed dojrzewaniu”. Mają nadzieję, że w przyszłości spojrzą wstecz na etap „malucha” lub „niemowlęcia” wszechświata.

Aby odkryć supernowe, zespół porównał wiele zdjęć wykonanych w odstępie maksymalnie jednego roku i szukał źródeł, które zniknęły lub pojawiły się na tych zdjęciach. Obiekty, których obserwowana jasność zmienia się w czasie, nazywane są stanami przejściowymi, a supernowe są rodzajem stanów przejściowych. W sumie zespół JADES Transient Survey Sample wykrył około 80 supernowych na skrawku nieba nie grubszym niż ziarnko ryżu umieszczone na wyciągnięcie ręki.

Na tej mozaice znajdują się trzy z około 80 obiektów przejściowych, czyli obiektów o zmiennej jasności, zidentyfikowanych w danych JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Większość stanów przejściowych jest wynikiem eksplodujących gwiazd lub supernowych. Porównując zdjęcia wykonane w latach 2022 i 2023, astronomowie byli w stanie wskazać lokalizacje supernowych, które z naszej perspektywy niedawno eksplodowały (np. przykłady pokazane w pierwszych dwóch kolumnach) lub supernowych, które już eksplodowały i których światło słabło (trzecia kolumna).
Wiek każdej supernowej można określić na podstawie jej przesunięcia ku czerwieni (oznaczonego literą „z”). Światło najodleglejszej supernowej, z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 3,8, pojawiło się, gdy Wszechświat miał zaledwie 1,7 miliarda lat. Przesunięcie ku czerwieni wynoszące 2,845 odpowiada czasowi 2,3 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Najbliższy przykład, przy przesunięciu ku czerwieni wynoszącym 0,655, pokazuje światło, które opuściło galaktykę około 6 miliardów lat temu, kiedy Wszechświat miał nieco ponad połowę swojego obecnego wieku.
Źródło obrazu: NASA, ESA, CSA, STScI, Christa DeCourcy (Uniwersytet w Arizonie), współpraca JADES

„To właściwie pierwsza próbka tego, jak wygląda Wszechświat o wysokim przesunięciu ku czerwieni w nauce o zjawiskach przejściowych” – powiedział Justin Perl, współpracownik NASA, członek Einsteina z Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland. „Próbujemy ustalić, czy odległe supernowe zasadniczo różnią się od tego, co widzimy w pobliskim wszechświecie, lub są do nich bardzo podobne”.

Beierle i inni badacze z STScI przeprowadzili specjalistyczne analizy w celu ustalenia, które stany nieustalone są w rzeczywistości supernowymi, a które nie, ponieważ często wyglądały bardzo podobnie.

Zespół zidentyfikował szereg supernowych o dużym przesunięciu ku czerwieni, w tym najdalszą supernową, jaką kiedykolwiek potwierdzono spektroskopowo, o przesunięciu ku czerwieni 3,6. Jej gwiazda macierzysta eksplodowała, gdy Wszechświat miał zaledwie 1,8 miliarda lat. Jest to tak zwana supernowa powodująca zapadnięcie się jądra, czyli eksplozja masywnej gwiazdy.

Ta animacja przedstawia eksplozję Biały karzełJest to niezwykle gęsta pozostałość po gwieździe, która nie może już spalać paliwa jądrowego w swoim jądrze. W tej supernowej typu Ia grawitacja białego karła kradnie materię pobliskiej gwieździe. Kiedy biały karzeł osiągnie szacunkowo 1,4-krotność obecnej masy Słońca, nie będzie już w stanie utrzymać własnego ciężaru i eksploduje. Źródło: NASA/Laboratorium Napędów Odrzutowych-Instytut Technologiczny w Kalifornii

Wykrywanie odległych supernowych typu Ia

Supernowe typu Ia cieszą się szczególnym zainteresowaniem astrofizyków. (Zobacz wideo powyżej). Te eksplodujące gwiazdy są tak jasne, że wykorzystuje się je do pomiaru odległych odległości kosmicznych i pomaga naukowcom obliczać tempo rozszerzania się Wszechświata. Zespół zidentyfikował co najmniej jedną supernową typu Ia z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 2,9. Światło z tej eksplozji zaczęło docierać do nas 11,5 miliarda lat temu, kiedy Wszechświat miał zaledwie 2,3 miliarda lat. Poprzedni rekord odległości supernowej typu Ia, potwierdzony spektroskopowo, wynosił przesunięcie ku czerwieni wynoszące 1,95, gdy Wszechświat miał 3,4 miliarda lat.

Naukowcy chętnie analizują supernowe typu Ia przy dużych przesunięciach ku czerwieni, aby sprawdzić, czy wszystkie mają tę samą wewnętrzną jasność, niezależnie od odległości. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ jeśli ich jasność będzie się zmieniać wraz z przesunięciem ku czerwieni, nie będą one wiarygodnymi markerami do pomiaru tempa ekspansji Wszechświata.

Peerle przeanalizował supernową typu Ia znalezioną przy przesunięciu ku czerwieni wynoszącym 2,9, aby określić, czy jej wewnętrzna jasność różniła się od oczekiwanej. Chociaż jest to pierwszy obiekt tego rodzaju, wyniki nie wskazują na żadne dowody na to, że jasność typu Ia zmienia się wraz z przesunięciem ku czerwieni. Potrzebnych jest więcej danych, ale na razie teorie oparte na supernowych typu Ia na temat tempa ekspansji Wszechświata i ostatecznego losu pozostają uzasadnione. Perel przedstawił także swoje odkrycia na 244. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego.

Patrząc w przyszłość

Wczesny wszechświat był zupełnie innym miejscem, z trudnymi środowiskami. Naukowcy spodziewają się zobaczyć starożytne supernowe pochodzące z gwiazd zawierających znacznie mniej ciężkich pierwiastków chemicznych niż gwiazdy takie jak nasze Słońce. Porównanie tych supernowych z supernowymi we wszechświecie lokalnym pomoże astrofizykom zrozumieć mechanizmy powstawania gwiazd i eksplozji supernowych w tak wczesnym okresie.

„Otwieramy nowe okno na przemijający wszechświat” – powiedział Matthew Seibert, członek STScI, który kieruje spektroskopią supernowych JADES. „Historycznie rzecz biorąc, ilekroć to robimy, znajdujemy bardzo interesujące rzeczy – rzeczy, których się nie spodziewaliśmy”.

„Ponieważ Webb jest tak wrażliwy, znajduje supernowe i inne przelatujące obiekty niemal wszędzie, gdzie wskaże” – powiedział członek zespołu JADES, Eiichi Egami, profesor naukowy na Uniwersytecie Arizony w Tucson. „To ważny pierwszy krok w kierunku bardziej kompleksowych badań supernowych za pomocą Internetu”.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wiodącym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie. Webb rozwiązuje tajemnice naszego Układu Słonecznego, spogląda poza odległe światy wokół innych gwiazd i bada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).Europejska Agencja Kosmiczna) i CSA (Kanadyjska Agencja Kosmiczna).