ఒక సూపర్‌నోవా, ఐదు ప్రతిబింబాలు, విశ్వ వ్యాకోచ రేటు

నేడు విశ్వం ఎంత వేగంగా వ్యాకోచిస్తోంది? దానికి సమాధానమిచ్చే సంఖ్య హబుల్ స్థిరాంకం, H0. దాన్ని కొలిచే ప్రధాన మార్గాల్లో రెండు — సమీప నక్షత్రాలు, గెలాక్సీల వరకు దూరాల “నిచ్చెన”, యువ విశ్వం యొక్క మసకని అనంతర కాంతి అయిన విశ్వ సూక్ష్మతరంగ నేపథ్య వికిరణం — ప్రస్తుతం గణనీయంగా భిన్నమైన విలువలను ఇస్తున్నాయి. ఈ అంతరం, హబుల్ ఉద్రిక్తత (Hubble tension), విశ్వోద్భవ శాస్త్రంలోని ప్రధాన అపరిష్కృత ప్రశ్నల్లో ఒకటి.

మూడవ మార్గం ఒకటి ఉంది, అది ఈ రెండింటిలో దేనిపైనా ఆధారపడదు.

అంతర్నిర్మిత గడియారం ఉన్న విశ్వ కటకం

ఒక అతి భారీ వస్తువు — ఒక గెలాక్సీ లేదా గెలాక్సీల మొత్తం సమూహం — ఒక సుదూర మూలం ముందు ఉన్నప్పుడు, దాని గురుత్వాకర్షణ కాంతిని వంచి మూలాన్ని అనేక ప్రతిబింబాలుగా విభజించగలదు. ఇదే బలమైన గురుత్వ కటకీకరణ (strong gravitational lensing). కాంతి కిరణాలు వేర్వేరు పొడవుల మార్గాలను అనుసరిస్తాయి. మూలం ప్రకాశం మారితే, ప్రతిబింబాలు ఒకదాని తర్వాత ఒకటి మారతాయి.

ఆ కాల ఆలస్యాలు కటకం ద్రవ్యరాశిపై, విశ్వ దూరాలపై — కాబట్టి H0పై — ఆధారపడతాయి. ఈ ఆలోచనను రెఫ్స్‌డాల్ 1964లో, అనేక ప్రతిబింబాలుగా కనిపించే సూపర్‌నోవాలతో ప్రతిపాదించారు.

అలాంటి మొదటి సూపర్‌నోవా, ఇప్పుడు SN Refsdal అని పిలువబడేది, 2014లో MACS J1149.5+2223 గెలాక్సీ సమూహం వెనుక కనుగొనబడింది. అది మొదట సమూహంలోని ఒక గెలాక్సీ చుట్టూ నాలుగు ప్రతిబింబాలుగా కనిపించింది; నమూనాలు అంచనా వేసిన ఐదవ ప్రతిబింబం సుమారు ఒక సంవత్సరం తర్వాత వస్తుందని ఆశించారు. కొలిచిన ఆలస్యాల్లో రెండు ప్రతిబింబాల మధ్య 376 రోజుల ఆలస్యం ఒకటి ఉంది.

కొన్ని చుక్కలకు బదులు 77,000 పిక్సెల్స్

కష్టమైన భాగం సమూహం ద్రవ్యరాశి ఎలా పంపిణీ అయి ఉందో ఖచ్చితంగా తెలుసుకోవడం. ఇప్పటివరకు, నమూనాలు నేపథ్య గెలాక్సీల బహుళ ప్రతిబింబాల స్థానాలను మాత్రమే ఉపయోగించాయి. టుర్కు విశ్వవిద్యాలయం, మిలన్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన స్టెఫాన్ షుల్ట్ (Stefan Schuldt), ఇటలీ, జర్మనీ, స్పెయిన్, ఫిన్లాండ్‌లోని సహచరులు మరింత ముందుకు వెళ్లారు.

వారి నమూనాలో ఇప్పటికే సమూహంలోని 308 గెలాక్సీలు, కృష్ణ పదార్థ ప్రభావలయాలు (halos), 17 నేపథ్య మూలాల 100కు పైగా బహుళ ప్రతిబింబాలు ఉన్నాయి. దానికి అదనంగా, సూపర్‌నోవాకు ఆతిథ్యమిచ్చిన గెలాక్సీ యొక్క పూర్తి ఆకారం, ప్రకాశాన్ని జోడించారు: హబుల్ అంతరిక్ష టెలిస్కోప్ నుంచి 77,000 పిక్సెల్స్. ఒక గెలాక్సీ సమూహం కోసం ఈ రకమైన నమూనాతో విశ్వోద్భవ పరామితులను కొలవడం ఇదే మొదటిసారి.

జాగ్రత్త కోసం, వారు డేటాకు భారం ఇచ్చే నాలుగు మార్గాలను పరీక్షించి, వాటి మధ్య తేడాలను అదనపు అనిశ్చితిగా లెక్కించారు.

3% కొలత

• H0 = 65.0 (+2.0 / −1.8) కిలోమీటర్లు ప్రతి సెకను ప్రతి మెగాపార్సెక్, విశ్వంలోని పదార్థ పరిమాణం, Ωm = 0.30, అదే సమయంలో కొలవబడింది.
• అనిశ్చితి 3.0%: ఒకే బలమైన కటకం నుంచి ఇప్పటివరకు పొందిన అత్యంత ఖచ్చితమైన విలువ, కటకీకరించిన క్వేసార్ నుంచి వచ్చిన 3.9% ఫలితం కంటే ముందు.
• పిక్సెల్స్ జోడించడం, ప్రతిబింబ స్థానాలను మాత్రమే ఉపయోగించే అదే నమూనాతో పోలిస్తే, అనిశ్చితిని 2.0 రెట్లు తగ్గించింది.
• నమూనా యొక్క అన్ని వెర్షన్లు ఒకదానితో ఒకటి, SN Refsdal పై గత అధ్యయనాలతో ఏకీభవిస్తాయి.

ఈ విలువ ప్లాంక్ మిషన్ కొలిచిన విశ్వ సూక్ష్మతరంగ నేపథ్యం నుంచి వచ్చిన విలువతో, మరో కటకీకరించిన సూపర్‌నోవా SN Encoreతో ఏకీభవిస్తుంది. ఇది SH0ES బృందం యొక్క దూర-నిచ్చెన విలువ నుంచి మరింత దూరంగా ఉంది.

ద్రవ్యరాశి నమూనా నుంచి వచ్చే అనిశ్చితి ఇప్పుడు అతి పొడవైన ఆలస్యంపై ఉన్న అనిశ్చితితో పోల్చదగినది. మరో మాటలో, పటం కాదు, గడియారమే పరిమితి కారకంగా మారింది.

సంఖ్యను ఇంకా ఏది కదిలించగలదు

వారి 3%లో ఏమి చేర్చలేదో రచయితలు జాబితా చేస్తారు. పాత నమూనాలతో పోలిక న్యాయంగా ఉండేలా సమూహం ద్రవ్యరాశి వంటకాన్ని స్థిరంగా ఉంచారు, కాబట్టి ఆ వంటకపు వివరాలను అనిశ్చితులుగా లెక్కించలేదు. కటకీకరణకు తెలిసిన ఒక అంధ బిందువు, “ద్రవ్యరాశి-పలక క్షీణత” (mass-sheet degeneracy), పాక్షికంగా మాత్రమే అదుపులోకి వచ్చింది. గెలాక్సీ సమూహాల గుండా వెళ్లే దృష్టి రేఖలు సగటు కంటే ఖాళీగా ఉంటే, సమూహ కటకాలు H0ని తక్కువగా అంచనా వేస్తాయి.

తదుపరి పరీక్ష దగ్గర్లోనే ఉంది: మరో కటకీకరించిన సూపర్‌నోవా, SN Requiem, మొదట కనిపించిన సుమారు పదేళ్ల తర్వాత, 2026 లేదా 2027లో మళ్లీ కనిపించాలి. దాని ఆలస్యం చాలా ఖచ్చితంగా కొలవబడాలి, ఇలాంటి నమూనాతో అది H0ని కొన్ని శాతాల లోపు ఇవ్వగలదు. రూబిన్ అబ్జర్వేటరీ ఇలాంటి మరెన్నో సూపర్‌నోవాలను కనుగొంటుందని ఆశిస్తున్నారు.