Harvinainen tapaus löytyi sattumalta kalifornialaistutkijoiden havainto-ohjelmassa, jossa tutkitaan mm. massiivista galaksijoukkoa MACS J1149+2223 ja siihen kuuluvaa elliptistä galaksia. Ne ovat noin viiden miljardin valovuoden päässä, eli nyt sieltä tuleva valo on lähtenyt matkaan aurinkokunnan muodostuessa viisi miljardia vuotta sitten. 

Sama galaksijoukko on ollut tähtitieteen otsikoissa jo aiemminkin, sillä vuonna 2012 arveltiin, että kyseessä olisi vanhin havaittu galaksi. Se olisi siten syntynyt vain noin 500 miljoonaa vuotta alkupamauksen jälkeen. Ja vuonna 2009 sieltä havaittiin tuolloin suurin gravitaatiolinssikuvio spiraaligalaksista.

Nyt löytynyt supernova, jonka kuvaa galaksi voimistaa ja taivuttaa, sijaitsee vieläkin kauempana olevan galaksin yhdessä spiraalihaarassa. Galaksin etäisyys on noin 9,3 miljardia valovuotta. Se on siis lähes tunnetun maailmankaikkeuden reunalla.

“Olin todellakin yllättynyt, kun huomasin neljä tähden kuvaa galaksin ympärillä”, sanoo löydön tehnyt Kalifornian yliopiston Berkeleyn kampuksella työskentelevä tähtitieteilijä Patrick Kelly tiedotteessa. Hän on löydöstä kertoneen artikkelin pääkirjoittaja.

Kelly työryhmineen tutkii tarkemmin kymmentä suurta galaksijoukkoa tarkoituksenaan löytää tapauksia, joissa taaempana olevien galaksien spektrejä voidaan saada otettua ennätyksellisen tarkasti käyttämällä välissä olevia galakseja painovoimalinsseinä. He ovat tehneet työtään vuodesta 2013 alkaen ja samalla toivoneet, että onnistuisivat saamaan Hubblen kuviinsa myös supernovia.

Nyt se onnistui, ja kuten usein, hieman odotettu löytö tuli lopulta täysin yllättäen.

“Supernova näkyy [gravitaatiolinssi-ilmiön voimistamana] noin 20 kertaa kirkkaampana kuin on sen luonnollinen kirkkaus”, selittää artikkelin kirjoittajissa mukana oleva Jens Hjorth Tanskasta.

Syynä tähän on se, että tässä tapauksessa kuvia on kaikkiaan kuusi ja ne tulevat kahdesta erillisestä gravitaatiolinssistä. Kyseessä on siten paitsi ensimmäinen tällainen supernovahavainto, niin myös ensimmäinen kerta, kun taivaalta on löydetty moninkertainen gravitaatiolinssi.

Hjorthin mukaan suuri galaksiryhmä taivuttaa supernovan valon ainakin kolmeksi erilliseksi kuvaksi, ja sitten yksi näistä kuvista on vielä täsmälleen oikeassa suunnassa, jotta yksittäinen galaksi voimistaa ja taivuttaa kuvaa neljäksi kuvaksi. 

Näin tuloksena on hyvin harvinaislaatuinen Einsteinin risti.

Kuva yllä: Alkuperäinen havainto marraskuulta.

Pimeän aineen määrä ja sijainti selville

Gravitaatiolinssejä voidaan myös käyttää linssinä toimivan galaksin sisältämän pimeän aineen määrän ja levittäytymisen arviointiin. Yli kolmasosa maailmankaikkeuden aineesta on tätä erittäin vaikeasti näyttäytyvää pimeää ainetta, ja paras tapa sen havaitsemiseen on tutkia sen painovoimavaikutusta näkyviin kohteisiin. Gravitaatiolinssit ovat erinomaisia tapoja pimeän aineen tutkimiseen.

Tapaus on erinomaisen kiinnostava myös supernovan tutkimisen kannalta, koska gravitaatiolinssin muodostamat kuvat ovat eri ikäisiä. Valo ei ole kulkenut täsmälleen samaa matkaa, vaan niissä olevat valot ovat matkanneet eri mittaisen ajan avaruudessa: näemme samalla kertaa saman supernovan eri ikäisinä kuvina.

Samalla havainnoista voidaan laskea varsin tarkasti millaisen reitin kukin kuvista on tehnyt ja siten miten kuvien muodostama valo on edennyt aineen ja pimeän aineen taivuttamana.

Todennäköisesti tämä ajoittain kirkastuva supernova on näkynyt jo parinkymmentä vuotta sitten, tosin aikaisemmin vain yhtenä kuvana jossain muualla galaksijoukon luona, ja se tulee myös ilmestymään uudelleen muutaman vuoden kuluessa. Tutkijat toivovat nyt voivansa seurata koko hiipumis- ja ilmestymisprosessia ja saavansa siten tästä erinomaisen tapauksen gravitaatiolinssi-ilmiön, supernovien sekä pimeän aineen tutkimiseen.

Kyseinen supernova on ristitty norjalaisen tähtitieteilijän Sjur Refsdalin mukaan, joka ehdotti ensimmäisenä – jo vuonna 1964 – eri ikäisten supernovan gravitaatiolinssikuvien käyttämisen maailmankaikkeuden laajenemisen mittaamiseen.

Tuosta alkaen tällaista tapausta on odotettu, eikä ole mikään ihme, että tähtitieteilijät ympäri maailman ovat nyt kovin innoissaan.