Evrenin genişleme hızı olan Hubble sabitinin ölçülmesi, hem yer hem de uzay tabanlı gözlemevlerinden gelen verileri analiz eden dünya çapındaki gökbilimciler arasında aktif bir araştırma alanıdır. NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu devam eden bu tartışmaya zaten katkıda bulundu. Bu yılın başlarındaGökbilimciler, NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu’nun önceki ölçümlerini doğrulamak amacıyla, evrenin genişleme oranını ölçmek için güvenilir mesafe işaretleri olan Sefeid değişkenleri ve Tip Ia süpernovaları içeren Webb verilerini kullandılar.

Şimdi araştırmacılar, Hubble sabitinin doğruluğunu daha da artırmak için bağımsız bir ölçüm yöntemi kullanıyorlar: Yerçekimiyle merceklenen süpernovalar. Arizona Üniversitesi’nden Brenda Frye, dünyanın dört bir yanındaki farklı kurumlardan birçok araştırmacıdan oluşan bir ekiple birlikte, Webb’in uzak ve yoğun nüfuslu bir gökada kümesi yönünde üç ışık noktası keşfetmesinin ardından bu çabaya öncülük ediyor. Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü kısa bir süre önce Dr. Frye’ı ekibin Süpernova H0pe adını verdiği şey ve kütleçekimsel merceklenme etkilerinin Hubble sabiti hakkında nasıl bilgi sağladığı hakkında daha fazla bilgi vermesi için davet etti.

“Her şey ekibin tek bir sorusuyla başladı: ‘Daha önce orada olmayan üç nokta nedir? Bu bir süpernova olabilir mi?'” dedi. “Aynı kümenin 2015 Hubble görüntülemesinde görülmeyen ışık noktaları, Webb’in Reiyonizasyon ve Merceklenme Bilimi için Ana Galaksi Dışı Alanların Garantili Zaman Gözlemlerinden (PEARLS) Dünya’ya PLCK G165.7+67.0 görüntüleri geldiğinde açıktı. ‘Kümeler’ programı Ekip, akla gelen ilk sorunun haklı bir nedenden dolayı olduğunu belirtiyor: ‘Bu program için G165 alanı, yılda 300 güneş kütlesinden fazla yıldız oluşumu oranı nedeniyle seçildi; bu da bir özelliktir. bu daha yüksek süpernova oranlarıyla ilişkilidir.’

“İlk analizler, bu noktaların nadir niteliklere sahip patlayan bir yıldıza karşılık geldiğini doğruladı. Birincisi, bu bir Tip Ia süpernova, yani bir beyaz cüce yıldızın patlamasıdır. Bu tür süpernovaya genellikle ‘standart mum’ adı verilir, bu da onun Süpernovanın bilinen bir içsel parlaklığı vardı. İkincisi, kütleçekimsel olarak mercekleniyordu.

“Kütleçekimsel merceklenme bu deney için önemlidir. Süpernova ile bizim aramızda yer alan bir gökada kümesinden oluşan mercek, süpernovanın ışığını birden fazla görüntü halinde büker. Bu, üç katlı bir makyaj aynasının bir nesnenin üç farklı görüntüsünü sunmasına benzer. Webb görüntüsünde, ortadaki görüntünün diğer iki görüntüye göre ters çevrilmesiyle bu durum gözümüzün önünde gösterildi; bu, teorinin öngördüğü bir ‘mercekleme’ etkisiydi.

“Üç görüntü elde etmek için ışık üç farklı yol boyunca ilerledi. Her yolun uzunluğu farklı olduğundan ve ışık aynı hızda gittiğinden, süpernova bu Webb gözleminde patlaması sırasında üç farklı zamanda görüntülendi. Üç katlı aynada Benzetmeyle, sağdaki aynanın tarağı kaldıran bir kişiyi, soldaki aynanın taranan saçı ve ortadaki aynanın tarağı bırakan kişiyi gösterdiği bir zaman gecikmesi ortaya çıktı.

“Üç katlı süpernova görüntüleri özeldir: Zaman gecikmeleri, süpernova mesafesi ve yerçekimsel merceklenme özellikleri Hubble sabiti veya H0 (H-naught olarak telaffuz edilir) için bir değer verir. Süpernovaya SN H0pe adı verildi çünkü gökbilimcilere evrenin şeklini daha iyi anlama umudu veriyordu. genişleme hızının değiştirilmesi.

“PEARLS-Clusters ekibi, SN H0pe’yi daha fazla keşfetme çabasıyla, bilim uzmanları tarafından ikili anonim bir incelemede değerlendirilen ve DDT gözlemleri için Webb Bilim Politikaları Grubu tarafından önerilen bir Webb Direktörünün Takdir Edici Zamanı (DDT) önerisi yazdı. paralel olarak, her ikisi de Arizona’da bulunan Hopkins Dağı’ndaki 6,5 metrelik bir teleskop olan MMT’den ve Graham Dağı’ndaki Büyük Binoküler Teleskop’tan veriler elde edildi. Her iki gözlemi de analiz eden ekibimiz, SN H0pe’nin demirlendiğini doğrulayabildi. Büyük patlamadan 3,5 milyar yıl sonra var olan, kümenin epey gerisinde yer alan bir arka plan galaksisi.

“SN H0pe bugüne kadar gözlemlenen en uzak Tip Ia süpernovalardan biridir. Farklı bir ekip üyesi, Webb’den gelen renklerine veya ‘tayfına’ dağılan ışığının evrimini analiz ederek başka bir zaman gecikmesi ölçümü yaptı ve bu süpernovanın Tip Ia doğasını doğruladı. SN H0pe.

“Galaksi kümesinin 2 boyutlu madde dağılımını tanımlayan mercek modellerine yedi alt grup katkıda bulunmuştur. Tip Ia süpernova standart bir mum olduğundan, her mercek modeli, gerçek ölçülen değerlere göre zaman gecikmelerini ve süpernova parlaklıklarını tahmin etme becerisine göre ‘derecelendirildi’ .

“Önyargıları önlemek için, sonuçlar bu bağımsız gruplardan kör edildi ve ‘canlı körleme kaldırma’nın duyurulan gün ve saatinde birbirlerine açıklandı. Ekip, Hubble sabitinin değerini megaparsek başına saniyede 75,4 kilometre artı 8,1 veya eksi 5,5 olarak rapor ediyor. [One parsec is equivalent to 3.26 light-years of distance.] Bu, Hubble sabitinin bu yöntemle yalnızca ikinci ölçümü ve ilk kez standart bir mum kullanılarak yapılıyor. PEARLS programının baş araştırmacısı şunu belirtti: ‘Bu, Webb’in en büyük keşiflerinden biri ve evrenimizin bu temel parametresinin daha iyi anlaşılmasına yol açıyor.’

“Ekibimizin sonuçları etkili: Hubble sabiti değeri yerel evrendeki diğer ölçümlerle eşleşiyor ve evrenin genç olduğu dönemde elde edilen değerlerle bir miktar gerilim içinde. 3. Döngüdeki Webb gözlemleri belirsizlikleri iyileştirecek ve H0 üzerinde daha hassas kısıtlamalara izin verecek. .”

NASA/ESA/CSA James Webb Uzay Teleskobu’ndan gelen bu ayın yeni görüntüsü, Dünya’dan yaklaşık altı milyar ışık yılı uzaklıkta Krater takımyıldızında bulunan RX J1131-1231 olarak bilinen kuasarın kütle çekimsel merceklenmesini gösteriyor.

Şu ana kadar keşfedilen en iyi mercekli kuasarlardan biri olarak kabul ediliyor çünkü ön plandaki galaksi, arka plandaki kuasarın görüntüsünü parlak bir yay şeklinde yayıyor ve cismin dört görüntüsünü oluşturuyor.

Einstein tarafından ilk kez öngörülen kütleçekimsel merceklenme, doğal bir teleskop gibi davranarak ve bu kaynaklardan gelen ışığı büyüterek, uzak kuasarlardaki kara deliğe yakın bölgeleri incelemek için nadir bir fırsat sunar. Evrendeki tüm maddeler, etrafındaki uzayı büker ve daha büyük kütleler daha güçlü bir etki üretir.

Galaksiler gibi çok büyük nesnelerin etrafında, yakınlardan geçen ışık bu çarpık uzayı takip eder ve orijinal yolundan açıkça görülebilen bir miktarda bükülmüş gibi görünür. Yerçekimsel merceklenmenin sonuçlarından biri, uzak astronomik nesneleri büyütebilmesi ve astronomların aksi takdirde çok sönük veya uzakta olacak nesneleri incelemesine olanak sağlamasıdır.

Kuasarlardan gelen X-ışını emisyonunun ölçümleri, merkezdeki kara deliğin ne kadar hızlı döndüğüne dair bir gösterge sağlayabilir ve bu da araştırmacılara kara deliklerin zaman içinde nasıl büyüdüğüne dair önemli ipuçları verir.

Örneğin, bir kara delik öncelikle galaksiler arasındaki çarpışmalar ve birleşmeler sonucu büyüyorsa, kararlı bir diskte madde biriktirmeli ve diskten gelen yeni maddenin sürekli tedariki hızla dönen bir kara deliğe yol açmalıdır. Öte yandan, kara delik birçok küçük birikim olayıyla büyüyorsa, rastgele yönlerden madde biriktirecektir.

Gözlemler, bu özel kuasardaki kara deliğin ışık hızının yarısından daha hızlı döndüğünü gösteriyor. Bu da kara deliğin farklı yönlerden madde çekmek yerine, birleşmeler yoluyla büyüdüğünü gösteriyor.

Bu görüntü, karanlık maddeyi incelemek için bir gözlem programının parçası olarak Webb’in MIRI (Orta Kızılötesi Enstrüman) cihazıyla çekildi. Karanlık madde, evrenin kütlesinin çoğunu oluşturan görünmez bir madde biçimidir. Webb’in kuasar gözlemleri, gökbilimcilerin karanlık maddenin doğasını her zamankinden daha küçük ölçeklerde araştırmasına olanak sağlıyor.

Kasım 2023’te James Webb Uzay Teleskobu, MACS J0138.0-2155 adlı devasa bir gökada kümesini gözlemledi. İlk olarak Albert Einstein tarafından tahmin edilen, yerçekimsel merceklenme adı verilen bir etki yoluyla, MRG-M0138 adlı uzak bir galaksi, araya giren galaksi kümesinin güçlü yerçekimi tarafından çarpık görünüyor. Uzak galaksiyi eğip büyütmenin yanı sıra, MACS J0138’in neden olduğu yerçekimsel mercek etkisi, MRG-M0138’in beş farklı görüntüsünü üretir.

2019 yılında gökbilimciler, NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu’ndan 2016 yılında alınan görüntülerde görüldüğü gibi, MRG-M0138’de bir yıldız patlamasının veya süpernovanın meydana geldiğine dair şaşırtıcı bulguyu duyurdular.

Başka bir grup gökbilimci, 2023 Webb görüntülerini incelediklerinde, aynı galaksinin yedi yıl sonra ikinci bir süpernovaya ev sahipliği yaptığını görünce hayrete düştüler. Justin Pierel (Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nde NASA Einstein Üyesi) ve Andrew Newman (Carnegie Bilim Enstitüsü Gözlemevleri’nde kadrolu gökbilimci), aynı galakside kütleçekimsel olarak merceklenen iki süpernovanın ilk kez bulunmasıyla ilgili daha fazla bilgi veriyor.

“Bir süpernova, yerçekimsel bir merceğin arkasında patladığında, ışığı Dünya’ya birkaç farklı yoldan ulaşır. Bu yolları, bir istasyondan aynı anda ayrılan, hepsi aynı hızda hareket eden ve aynı yere giden birkaç trene benzetebiliriz. Her biri Tren farklı bir rota izliyor ve yolculuk uzunluğu ve arazideki farklılıklar nedeniyle trenler varış noktalarına aynı anda ulaşamıyor.”

“Benzer şekilde, yerçekimsel olarak merceklenmiş süpernova görüntüleri gökbilimcilere günler, haftalar ve hatta yıllar boyunca görünür. Süpernova görüntülerinin ortaya çıkma zamanlarındaki farklılıkları ölçerek, Hubble sabiti olarak bilinen evrenin genişleme hızının geçmişini ölçebiliriz. Bu, günümüzün kozmolojisinde büyük bir zorluktur. Sorun şu ki, bu çoklu görüntüye sahip süpernovalar son derece nadirdir: şimdiye kadar bir düzineden azı tespit edilmiştir.”

“Bu küçük kulüpte, MRG-M0138’deki Requiem adı verilen 2016 süpernovası birkaç nedenden dolayı öne çıktı. Birincisi, 10 milyar ışıkyılı uzaklıktaydı. İkincisi, süpernova muhtemelen şu şekilde kullanılanla aynı türdeydi (Ia). kozmik mesafeleri ölçmek için ‘standart bir mum’.”

“Üçüncüsü, modeller, süpernova görüntülerinden birinin, kümenin aşırı yerçekimi boyunca izlediği yol nedeniyle o kadar geciktiğini ve bize 2030’ların ortalarına kadar görünmeyeceğini tahmin etti. Ne yazık ki, Requiem 2019’a kadar keşfedilmediği için, ondan çok sonra keşfedildi. gözden kaybolmuştu, o zamanlar Hubble sabitini ölçmek için yeterli veriyi toplamak mümkün değildi.”

“Şimdi, Requiem ile aynı galakside, Süpernova Encore adını verdiğimiz, yerçekimsel olarak merceklenen ikinci bir süpernova bulduk. Encore tesadüfen keşfedildi ve şu anda devam eden süpernovayı, zaman açısından kritik bir yönetmenin takdirine bağlı programıyla aktif olarak takip ediyoruz.”

“Bu Webb görüntülerini kullanarak, bu çoklu görüntülü süpernovaya dayalı olarak Hubble sabitini ölçecek ve doğrulayacağız. Encore’un standart bir mum veya Ia tipi bir süpernova olduğu doğrulandı, bu da Encore ve Requiem’i standart mum süpernovasının açık ara en uzak çifti yapıyor. ‘kardeşler’ keşfedildi.”

“Süpernovalar normalde tahmin edilemez, ancak bu durumda Requiem ve Encore’un son görünümlerini görmek için ne zaman ve nereye bakmamız gerektiğini biliyoruz. 2035 yılı civarındaki kızılötesi gözlemler, son patlamalarını yakalayacak ve Hubble sabitinin yeni ve kesin bir ölçümünü sunacak.”

Astronomlar daha fazlasını keşfetti Güneş sisteminin dışında 5.000 gezegen bugüne kadar. Asıl soru, bu gezegenlerden herhangi birinin yaşama ev sahipliği yapıp yapmadığıdır. Cevabı bulmak için, gökbilimcilerin muhtemelen ihtiyacı olacak daha güçlü teleskoplar bugün var olandan

ben bir astrobiyoloji okuyan astronom ve uzak yıldızların etrafındaki gezegenler. Son yedi yıldır, şimdiye kadar yapılmış en büyük uzay teleskobu olan James Webb Uzay Teleskobu’ndan yüz kat daha fazla ışık toplayabilen yeni bir tür uzay teleskobu geliştiren bir ekibin eş liderliğini yapıyorum.

Hubble ve Webb dahil olmak üzere neredeyse tüm uzay teleskopları aynaları kullanarak ışık toplar. Önerdiğimiz teleskop, Nautilus Uzay Gözlemevi, büyük, ağır aynaları aynalı teleskoplardan çok daha hafif, daha ucuz ve üretimi daha kolay olan yeni, ince bir mercekle değiştirecekti. Bu farklılıklar nedeniyle, birçok bireysel birimi yörüngeye fırlatmak ve güçlü bir teleskop ağı oluşturmak mümkün olacaktır.

Daha büyük teleskoplara olan ihtiyaç

Dış gezegenler -Güneş dışındaki yıldızların yörüngesinde dönen gezegenler- yaşam arayışında başlıca hedeflerdir. Gökbilimcilerin, büyük miktarlarda ışık toplayan dev uzay teleskoplarını kullanmaları gerekiyor. bu soluk ve uzaktaki nesneleri inceleyin.

Mevcut teleskoplar, Dünya kadar küçük dış gezegenleri tespit edebilir. Bununla birlikte, bu gezegenlerin kimyasal bileşimi hakkında bilgi edinmeye başlamak için çok daha fazla hassasiyet gerekir. Webb bile ancak arama yapacak kadar güçlüdür. yaşam ipuçları için belirli ötegezegenler— yani atmosferdeki gazlar.

James Webb Uzay Teleskobu’nun maliyeti 8 milyar ABD doları ve yapımı 20 yıldan fazla sürdü. Bir sonraki amiral gemisi teleskopunun 2045’ten önce uçması beklenmiyor ve tahmin ediliyor. 11 milyar dolara mal oldu. Bu iddialı teleskop projeleri her zaman pahalıdır, zahmetlidir ve tek bir güçlü -ama çok uzmanlaşmış- gözlemevi üretir.

Yeni bir tür teleskop

2016 yılında havacılık devi Northrop Grumman beni ve diğer 14 profesörü ve NASA bilim adamlarını -hepsi dış gezegenler ve dünya dışı yaşam araştırmaları konusunda uzmanlar- bir soruyu cevaplamak için Los Angeles’a davet etti: Ötegezegen uzay teleskopları 50 yıl sonra nasıl görünecek?

Tartışmalarımızda, daha güçlü teleskopların inşasını engelleyen en büyük darboğazın, daha büyük aynalar yapıp onları yörüngeye oturtma zorluğu olduğunu fark ettik. Bu darboğazı atlatmak için, aramızdan birkaçı kırınımlı mercekler adı verilen eski bir teknolojiyi yeniden gözden geçirme fikrini ortaya attı.

Geleneksel lensler, ışığı odaklamak için kırılma kullanır. Kırılma, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesidir – ışığın suya girdiğinde bükülmesinin nedeni budur. Buna karşılık kırınım, ışığın köşelerin ve engellerin etrafından bükülmesidir. Bir cam yüzey üzerinde akıllıca düzenlenmiş basamaklar ve açılar kırınımlı bir mercek oluşturabilir.

Bu tür ilk lensler, 1819’da Fransız bilim adamı Augustin-Jean Fresnel tarafından hafif lensler sağlamak için icat edildi. fenerler. Bugün, benzer kırınımlı mercekler birçok küçük boyutlu tüketici optiğinde bulunabilir – kamera lensleri ile sanal gerçeklik kulaklıkları.

İnce, basit kırınımlı mercekler bulanık görüntüleri ile ünlü, yani astronomik gözlemevlerinde hiç kullanılmadılar. Ancak netliklerini artırabilseydiniz, aynalar veya kırıcı mercekler yerine kırınımlı mercekler kullanmak bir uzay teleskobunun çok daha ucuz, daha hafif ve daha büyük olmasını sağlardı.

İnce, yüksek çözünürlüklü bir lens

Toplantıdan sonra Arizona Üniversitesi’ne döndüm ve modern teknolojinin daha iyi görüntü kalitesine sahip kırınımlı mercekler üretip üretemeyeceğini araştırmaya karar verdim. Benim için şanslı, Thomas Milsterkırınımlı mercek tasarımı konusunda dünyanın önde gelen uzmanlarından biri benim yanımdaki binada çalışıyor. Bir ekip oluşturduk ve işe koyulduk.

Takip eden iki yıl boyunca ekibimiz, şeffaf bir cam veya plastik parçası üzerine karmaşık bir küçük oluk deseni kazımak için yeni üretim teknolojileri gerektiren yeni bir kırınımlı lens türü icat etti. Kesiklerin özel deseni ve şekli, gelen ışığı merceğin arkasındaki tek bir noktaya odaklar. Yeni tasarım bir mükemmele yakın kaliteli görüntüönceki kırınımlı merceklerden çok daha iyi.

Merceğin kalınlığı değil, odaklamayı yapan yüzey dokusu olduğu için, merceği büyütürken kolayca büyütebilirsiniz. çok ince ve hafif tutmak. Daha büyük lensler daha fazla ışık toplar ve düşük ağırlık anlamına gelir yörüngeye daha ucuz fırlatma— her ikisi de bir uzay teleskobu için harika özellikler.

Ağustos 2018’de ekibimiz 2 inç (5 santimetre) çapında bir lens olan ilk prototipi üretti. Önümüzdeki beş yıl içinde görüntü kalitesini daha da iyileştirdik ve boyutu artırdık. Şimdi, geleneksel bir kırılma merceğinden 10 kat daha hafif olacak 10 inç (24 cm) çapında bir merceği tamamlıyoruz.

Bir kırınım uzay teleskobunun gücü

Bu yeni lens tasarımı, bir uzay teleskobunun nasıl inşa edilebileceğini yeniden düşünmeyi mümkün kılıyor. 2019 yılında ekibimiz, Nautilus Uzay Gözlemevi.

Ekibimiz, yeni teknolojiyi kullanarak yalnızca yaklaşık 0,2 inç (0,5 cm) kalınlığında 29,5 fit (8,5 metre) çapında bir lens yapmanın mümkün olduğunu düşünüyor. Yeni teleskopumuzun merceği ve destek yapısı yaklaşık 1.100 pound (500 kilogram) ağırlığında olabilir. Bu, benzer boyuttaki Webb tarzı bir aynadan üç kat daha hafiftir ve Webb’in 21 fit (6,5 metre) çapındaki aynasından daha büyük olacaktır.

Lenslerin başka faydaları da var. Birincisi, onlar çok daha kolay ve hızlı aynalardan daha fazla üretilebilir ve toplu halde yapılabilir. İkinci olarak, mercek tabanlı teleskoplar mükemmel şekilde hizalanmadığında bile iyi çalışır ve bu teleskopların daha kolay bir şekilde hizalanmasını sağlar. birleştirmek ve son derece hassas hizalama gerektiren ayna tabanlı teleskoplardan daha uzayda uçarlar.

Son olarak, tek bir Nautilus birimi hafif ve üretimi nispeten ucuz olacağından, düzinelercesini yörüngeye yerleştirmek mümkün olacaktır. Mevcut tasarımımız aslında tek bir teleskop değil, 35 ayrı teleskop ünitesinden oluşan bir takımyıldızdır.

Her bir teleskop, Webb’den daha fazla ışık toplayabilen bağımsız, oldukça hassas bir gözlemevi olacaktır. Ancak Nautilus’un gerçek gücü, tüm teleskopları tek bir hedefe çevirmekten gelirdi.

Tüm birimlerden gelen verileri birleştirerek, Nautilus’un ışık toplama gücü, Webb’den yaklaşık 10 kat daha büyük bir teleskopa eşit olacaktır. Bu güçlü teleskopla gökbilimciler, dünya dışı yaşama işaret edebilecek atmosferik gazlar için yüzlerce ötegezegeni araştırabilirler.

Nautilus Uzay Gözlemevi lansmanından hala çok uzakta olmasına rağmen, ekibimiz çok ilerleme kaydetti. Teknolojinin tüm yönlerinin küçük ölçekli prototiplerde çalıştığını gösterdik ve şimdi 3,3 fit (1 metre) çapında bir lens oluşturmaya odaklanıyoruz. Sonraki adımlarımız, teleskopun küçük bir versiyonunu yüksek irtifa balonuyla uzayın kenarına göndermek.

Bununla, NASA’ya devrim niteliğinde yeni bir uzay teleskobu önermeye hazır olacağız ve umarım yüzlerce dünyayı yaşam imzaları için keşfetme yolunda olacağız.

Bu makale şu adresten yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.