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美國國家航空航天局羅曼太空望遠鏡利用罕見事件來計算宇宙的膨脹率

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美國國家航空航天局羅曼太空望遠鏡利用罕見事件來計算宇宙的膨脹率


這張哈勃太空望遠鏡的圖像顯示了一個嵌入在巨大星系團中的星系的強大引力，產生了一顆遙遠超新星的多張圖像 。該圖像顯示了該星系在一個名為MACS J1149.6+2223的大型星系團中的位置，該星系團位于50多億光年之外 。在放大的銀河系插圖中 ， 箭頭指向一顆爆炸恒星的多個副本，這顆恒星被命名為超新星Refsdal，距離地球93億光年 。圖像:美國國家航空航天局、歐空局和s . Rodney（JHU）和FrontierSN小組；T. Treu（加州大學洛杉磯分校）、P. Kelly（加州大學伯克利分校）和格拉斯團隊；j . Lotz（STScI）和Frontier Fields團隊；m . Postman（STScI）和沖突小組；和z .萊維（STScI）
據美國宇航局（漢娜·布勞恩）：天文學家正在調查宇宙最緊迫的謎團之一——宇宙膨脹的速度——準備用美國國家航空航天局的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡以新的方式研究這個難題 。一旦它在2027年5月發射升空，天文學家將從羅曼的大量圖像中挖掘引力透鏡超新星，這可以用來測量宇宙的膨脹率 。
天文學家有多種獨立的方法可以測量宇宙目前的膨脹率，即哈勃常數 。不同的技術產生了不同的值，稱為哈勃張力 。羅曼的大部分宇宙學研究將針對難以捉摸的暗能量，它影響著宇宙如何隨著時間的推移而膨脹 。這些研究的一個主要工具是一種相當傳統的方法 ， 該方法將Ia型超新星等物體的內在亮度與其感知亮度進行比較，以確定距離 。或者，天文學家可以使用Roman來檢查引力透鏡超新星 。這種探索哈勃常數的方法與傳統方法不同，因為它基于幾何方法，而不是亮度 。
“Roman是讓引力透鏡超新星研究起飛的理想工具，”巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所（STScI）的Lou Strolger說，他是準備Roman研究這些物體的團隊的聯合領導者 。“它們很稀有 ， 很難找到 。我們不得不幸運地盡早發現其中一些 。羅曼的廣闊視野和高分辨率的重復成像將有助于這些機會 。”
使用各種天文臺，如美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，天文學家在宇宙中僅發現了八顆引力透鏡超新星 。然而 ， 由于超新星的類型及其延時成像的持續時間 ， 這八顆超新星中只有兩顆成為測量哈勃常數的可行候選者 。
當來自恒星爆炸等物體的光在到達地球的途中穿過星系或星系團并被巨大的引力場偏轉時，就會發生引力透鏡效應 。光線沿著不同的路徑分裂，在我們看到的天空中形成了超新星的多個圖像 。根據路徑之間的差異，超新星圖像會延遲幾個小時到幾個月甚至幾年 。精確測量多幅圖像之間到達時間的差異可以得出限制哈勃常數的距離組合 。
“在這種情況下，用與更常見的方法完全不同的方法探測這些距離，可以幫助解釋為什么各種測量技術產生了不同的結果 ， ”Strolger項目的聯合負責人、STScI的賈斯汀·皮雷爾補充說 。

美國國家航空航天局羅曼太空望遠鏡利用罕見事件來計算宇宙的膨脹率


這幅插圖使用了哈勃太空望遠鏡拍攝的超新星Refsdal的圖像，展示了大質量星系團MACS J1149.6+2223的引力如何彎曲和聚焦其背后超新星發出的光，從而產生了爆炸恒星的多幅圖像 。上圖顯示，當恒星爆炸時，其光穿過空間并遇到前景星系團 。光路被星系團的引力彎曲 ， 并轉向新的路徑，其中幾條指向地球 。因此，天文學家看到了這顆正在爆炸的恒星的多幅圖像，每一幅圖像都對應于其中一條被改變的光路 。每個圖像通過星團的路徑不同，到達的時間也不同 。在下圖中，重定向的光穿過星團內的一個巨大橢圓星系 。這個星系增加了另一層透鏡 。圖像:美國國家航空航天局、歐空局、a . Fields（STScI）和j . depas quale（STScI） 。科學:美國國家航空航天局、歐空局和s . Rodney（JHU）和FrontierSN小組；T. Treu（加州大學洛杉磯分校）、P. Kelly（加州大學伯克利分校）和格拉斯團隊；j . Lotz（STScI）和Frontier Fields團隊；m . Postman（STScI）和沖突小組；和z .萊維（STScI）
大海撈針
羅曼的廣泛調查將能夠比哈勃更快地繪制宇宙地圖，望遠鏡在一張圖像中“看到”的面積是哈勃的100多倍 。
皮雷爾解釋說:“這臺新望遠鏡將允許我們在一張快照中看到整個森林，而不是收集幾張樹木的照片 。”
特別是，高緯度時域調查將重復觀察同一地區的天空，這將使天文學家能夠研究隨時間變化的目標 。這意味著為了找到這些非常罕見的事件，將有大量的數據——每次超過50億像素——需要篩選 。
由Strolger和Pierel領導的STScI團隊正在通過一個由美國國家航空航天局空間和地球科學研究機會（ROSES）資助的項目為在Roman數據中發現引力透鏡超新星奠定基礎 。該項目由Nancy Grace Roman太空望遠鏡研究和支持參與機會計劃資助 。
“因為這種情況很少見，充分利用引力透鏡超新星的潛力取決于高水平的準備工作，”皮雷爾說 。“我們希望提前準備好尋找這些超新星的所有工具，這樣當數據到達時 ， 我們就不會浪費任何時間篩選萬億字節的數據 。”
該項目將由來自全國各美國國家航空航天局中心和大學的研究人員團隊實施 。
準備工作將分幾個階段進行 。該團隊將創建數據簡化管道，旨在自動檢測羅曼成像中的引力透鏡超新星 。為了訓練這些管道，研究人員還將創建模擬成像:需要5萬個模擬鏡頭，而目前已知的實際鏡頭只有1萬個 。
Strolger和Pierel團隊創建的數據簡化管道將補充為研究Ia型超新星暗能量而創建的管道 。
“羅曼確實是第一次有機會創造引力透鏡超新星的黃金標準樣本，”Strolger總結道 。“我們現在的所有準備工作將生產所需的所有組件，以確保我們能夠有效地利用宇宙學的巨大潛力 。”
南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡由位于馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心管理，參與單位包括美國國家航空航天局噴氣推進實驗室和南加州的加州理工學院/IPAC分校、位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所，以及一個由來自不同研究機構的科學家組成的科學團隊 。主要的工業合作伙伴是科羅拉多州博爾德的鮑爾航空航天技術公司；佛羅里達州墨爾本的L3Harris技術公司；和加州千橡市的Teledyne科學成像公司 。