Сверхновая вспыхнула еще раз в назначенное время в назначенном месте

 

Рис. 1. Фрагмент обзора скопления галактик MACS J1149.5+2223, полученный телескопом «Хаббл» в конце 2014 года. Голубым кружочком обозначено место, на котором 11 декабря 2015 года появилось предсказанное изображение сверхновой Рефсдаля. Красными кружочками обведены изображения этой сверхновой, обнаруженные в 2014 году. Фото с сайта spacetelescope.org

Год назад в далекой галактике была обнаружена сверхновая, свет от которой дошел до нас через так называемую гравитационную линзу (в роли которой выступило скопление галактик), которая учетверила изображение звезды, преобразовав его в «крест Эйнштейна». Расчеты, основанные на моделях распределения массы в скоплении и на Общей теории относительности, предсказали, что часть света взорвавшейся звезды, отклонившись под действием гравитации, достигнет Земли примерно через год. Ученые уже знали, когда и где ждать нового появления этой сверхновой, — и их предсказания подтвердились с впечатляющей точностью.
10 ноября 2014 года телескоп «Хаббл» зарегистрировал сверхновую, которая взорвалась 9,3 миллиарда лет назад (ее красное смещение z = 1,49). По пути к нам свет от нее прошел через крупное скопление галактик, MACS J1149.5+2223 (z = 0,54), и был усилен и искажен из-за эффекта гравитационного линзирования — отклонения света под действием гравитации массивных тел. Линзой послужила самая большая из галактик скопления, и по счастливой случайности она породила сразу четыре изображения этой сверхновой. Такое явление называют крестом Эйнштейна — в честь создателя Общей теории относительности (ОТО), предсказавшего и объяснившего эффект гравитационного линзирования.
Гравитационные линзы, подобно кривым зеркалам, могут создавать весьма причудливые изображения далеких источников: двойные, тройные, четверные изображения, арки, кольца и даже двойные кольца (см. Открыт редкий случай гравитационного линзирования — двойное кольцо Эйнштейна, «Элементы», 13.01.2008).
Это первый крест Эйнштейна, образованный сверхновой (классический крест Эйнштейна был получен от квазара). Астрономы давно надеялись на появление такой сверхновой, потому что множественные изображения объекта, который по космическим меркам быстро меняет свою яркость, позволяют очень точно определить гравитационный потенциал в линзе — то есть, грубо говоря, то, как вещество (пыль, газ, звезды) и темная материя распределены по скоплению. Дело в том, что кривые блеска сверхновых, то есть зависимость их светимости от времени, астрономами уже хорошо просчитаны. По динамике кривых блеска от каждого изображения — а эти изменения происходят не синхронно, а с разницей в несколько дней, потому что свет, формирующий разные изображения, доходит до нас по путям разной длины, — можно определить ход лучей в гравитационной линзе. А это уже дает возможность рассчитать гравитационный потенциал.
Сверхновая получила свое название в честь норвежского астрофизика Шура Рефсдаля (Sjur Refsdal), который занимался изучением гравитационного линзирования. Рефсдаль первым высказал предположение, что можно регистрировать задержки между разными изображениями одного далекого объекта и использовать это для решения научных задач. Он думал, что таким образом, в частности, можно уточнить космологические параметры. Однако для уточнения космологических параметров надо с высокой точностью установить распределение вещества в далеких скоплениях галактик, а астрономы такой точности пока не достигли. Наоборот, в обсуждаемой работе измеренные временные задержки и известные космологические параметры были использованы для расчета распределения гравитационного потенциала. Рефсдаль ждал появления подходящей сверхновой почти 50 лет, но так и не дождался: хотя за это время были обнаружены усиленные гравитационными линзами вспышки звезд, они не формировали нескольких отдельных изображений.
Спустя всего две недели после обнаружения сверхновой Рефсдаля японский ученый Масамуне Огури (Masamune Oguri) выпустил статью Predicted properties of multiple images of the strongly lensed supernova SN Refsdal, в которой предсказывал повторное появление сверхновой примерно через год. Огури предположил, что в роли линзы для сверхновой может выступать не только одна из галактик скопления, но и всё скопление сразу. Его расчеты показали, что в конце 2015 года на небе должно возникнуть еще одно изображение этой сверхновой. Огури также вычислил, что самый первый свет от сверхновой Рефсдаля должен был дойти до нас еще в 1997 году (то есть всего нам должно было быть видно шесть ее изображений: одно, самое раннее, в 1997 году, четыре в 2014 году и одно в 2015-м). Но, к сожалению, ни один телескоп, который мог бы зафиксировать первое появление сверхновой, не вел тогда наблюдений в этой области неба, и это предсказание Огури осталось неподтвержденным.
Таким образом, ученым представился уникальный шанс проверить свое понимание строения скоплений галактик, точность определения космологических констант и то, насколько хорошо ОТО описывает нашу Вселенную. Были сформированы несколько независимых групп, которые использовали свои собственные модели распределения массы в скоплении MACS J1149.5+2223 для расчета времени и места возможного повторного появления сверхновой. Одновременно с этим наземные телескопы получали спектральные изображения сверхновой и всех галактик этой области космоса, чтобы максимально точно определить расстояния между ними и конфигурацию этого скопления. После коррекции первоначального предсказания Огури был уточнен временной интервал: сверхновая Рефсдаля должна снова появиться между 30 октября и концом декабря. Это было большой удачей, потому что до середины октября 2015 года возможная точка появления сверхновой должна была находиться слишком близко к Солнцу и телескоп «Хаббл» не мог бы на нее навестись.
С конца октября телескоп периодически делал снимки этого участка неба, пока наконец 11 декабря 2015 года не была зарегистрирована вспышка. Буквально через несколько дней группа астрофизиков во главе с Патриком Келли (Patrick L. Kelly) из Калифорнийского университета в Беркли выпустила статью Deja Vu All Over Again: The Reappearance of Supernova Refsdal с описанием наблюдения. На рис. 2 видно относительное расположение нового и прошлогодних изображений сверхновой.

Рис. 2. Вверху: снимок участка скопления галактик MACS J1149.5+2223, полученный телескопом «Хаббл» 11 апреля 2015 года. Индексами S1–S4 отмечены изображения сверхновой Рефсдаля. Внизу: снимок того же участка неба, сделанный 11 декабря 2015 года. Видно, что изображения S1–S4 потускнели (из-за того что максимум светимости сверхновой проходит достаточно быстро), но появилось новое, до этого момента отсутствовавшее изображение этой же сверхновой, обозначенное SX. Фотографии из обсуждаемой статьи

На рис. 3 две красные и зеленая окружности — это области возможного появления сверхновой по результатам расчетов разных групп, а красный крест — фактическое положение обнаруженной сверхновой. Мы видим, что были даны очень правдоподобные предсказания. Это особенно ценно, если учесть, что в своих расчетах ученые использовали константы, точность определения которых сильно зависит от космологических моделей. Например, изменение постоянной Хаббла всего на 2% сдвигало предсказанное время обнаружения сверхновой на 10 дней.

Рис. 3. Увеличенный снимок места обнаружения сверхновой Рефсдаля в декабре 2015 года. Красными и зеленой окружностями выделены регионы, где появление вспышки предсказывали наиболее точные модели. Изображение из обсуждаемой статьи

Нет сомнений в том, что новое изображение сверхновой Рефсдаля, зарегистрированное 11 декабря, также будет тщательно изучено и позволит не только еще лучше понять распределение масс в конкретном скоплении галактик, но и уточнить модели, по которым это распределение рассчитывается. На основании полученных данных уже начата работа по пересмотру этих моделей. Но это уточнение деталей — а в целом успешное предсказание повторного появления сверхновой в указанное время в указанном месте еще раз подтверждает, что вся совокупность теорий, моделей и методов современной астрофизики действительно работает. Символично, что этим триумфом астрофизической мысли отмечен год столетия Общей теории относительности (см. Столетие ОТО, или Юбилей Первой ноябрьской революции, «Элементы», 25.11.2015).
Источник: Patrick L. Kelly et al. Deja Vu All Over Again: The Reappearance of Supernova Refsdal // Статья доступна как препринт arXiv:1512.04654 [astro-ph.CO].
Марат Мусин

Источник: elementy.ru.