Astronomer har en mödosamt hopsamlad katalog av super­novor, sammanställd under decennier och med hjälp av dussin­tals olika teleskop. Bland supernovorna har astronomerna identifierat några tusen av en typ som kallas Ia.

Nu har antalet kända supernovor av typ Ia (”ett a”) fördubblats på bara några få år, med hjälp av det specialiserade instrumentet ZTF, Zwicky transient facility. ZTF söker av och avbildar hela himlen på bara ungefär två dagar innan det börjar om igen. Instrumentet övervakar himlavalvet för att spana in när något förändras. På så vis har forskarna fått mycket bättre underlag för att undersöka kosmos storskaliga egenskaper. De kan också dubbelkolla tidigare analyser.

En av forskarna bakom ZTF är Ariel Goobar, som är professor vid Stockholms universitet. Han förväntar sig att de ska kunna bidra till att lösa flera kosmologiska mysterier som har att göra med det okända fenomenet mörk energi. Den mörka energin driver på universums expansion och får den att accelerera. En fråga som blivit allt tydligare under minst ett decennium handlar om hur fort universum utvidgas just nu. Dessutom har frågan om den mörka energin kan vara dynamisk, och alltså ändra styrka med tiden, seglat upp som den hetaste inom kosmologin under det senaste året.

– Mörk energi finns, det vet vi. Men ska vi kunna säga om den är konstant eller dynamisk måste vi kunna mäta kosmologiska avstånd med en noggrannhet som är bättre än en procent, säger Ariel Goobar.

Att mäta universum så noggrant är en enorm utmaning. Alltihop hänger på att man kan pussla ihop detaljerna kring händelser långt ut i världsrymden.

I en annan galax, miljoner ljusår härifrån, kretsade en liten utbränd stjärnrest tillsammans med sin åldrade stjärnkompanjon i en tät bana kring parets gemensamma masscentrum. Den hade kastat av sig hela sitt yttre hölje av gas, efter att den gjort slut på allt väte och helium som kunde brännas i kärnan, och sedan länge var den bara en avsvalnande vit dvärgstjärna.

Den vita dvärgstjärnans kompanjon nådde så småningom stadiet då den svällde upp till en röd jättestjärna. De yttre lagren av den puffiga atmo­sfären kom så nära den vita dvärgen att den mindre stjärnan började dra till sig gas. Mer och mer gas ansamlades på den vita dvärgen. Den växte tills den hade fått så mycket massa att den nådde en gräns. Den var då tillräckligt massiv för att kol- och syreatomer i kärnan kunde börja smälta ihop med varandra och bilda tyngre grundämnen. Fusions­processen flammade hastigt upp. Den brann ut på bara några sekunder och frigjorde energi i en våldsam explosion som fullständigt slet sönder det som nyss var en vit dvärg.

Detta är åtminstone många forskares uppfattning om hur det bör ha gått till, enligt en av de ledande modellerna för supernovor av typ Ia.

Smällen blev i vilket fall som helst ljusstarkare än hela galaxen som stjärnan fanns i. Ljuset från explosionen slungades ut i alla riktningar. Efter att ha färdats i miljoner år faller till slut en liten smula av en bråkdel av det ljuset på ZTF. Där blir det tillgängligt för forskargruppen som Ariel Goobar hör till. Astronomerna delar upp ljuset i en regnbåge av färger – ett spektrum – och får tillräckligt med information för att klassificera supernovan som typ Ia.

Den här händelsen är bara en enda i en jätteskörd av uppflammande ljuskällor.

– Vi har hittat ungefär 40 000 källor som ser ut som supernovor, men vi hinner inte ta spektra på alla, berättar Ariel Goobar.

Astronomerna mäter också hur ljusstyrkan förändras över tid. Med hjälp av spektrum och ljuskurva får de reda på vilken typ av händelse det var fråga om, och kan förstå mer om processerna ljuskällan genomgår. Att förstå supernovorna bättre är intressant i sig, men det är också nödvändigt för att kunna nå den precision forskarna vill ha för kosmologiska studier. Genom att noggrant mäta hur mycket ljus som fångas upp från supernovor, går det nämligen att använda dem för att mäta avståndet till de galaxer där de befinner sig.

Av de 40 000 supernovakandidaterna har forskarna hittills identifierat 3 628 som är av typ Ia. Av dem är 2 667 klara för att användas för att studera universums expansion.

Anledningen till att forskarna vill använda just denna typ av supernova är att de förväntas explodera på samma sätt varje gång. Till skillnad från andra former av supernovor, som kan bete sig lite individuellt, kommer varje Ia-supernova att avge nästan samma ljusstyrka. De är standardljus, som astronomerna säger. Hur starka eller svaga de ser ut i teleskopet beror då bara på hur långt bort de är. Det luriga är bara att lista ut hur starkt de lyser till att börja med.

– Vi vet inte vad de har för absolut ljusstyrka, alltså exakt hur många watt de släpper ut, säger Ariel Goobar.

För att lista ut det måste astronomer använda en rad knep. Det går att bygga en stege av avståndsmått genom att jämföra kända företeelser på olika avstånd med varandra. Om avståndet till en galax där en supernova inträffar kan mätas med andra metoder, så kan supernovan sedan jämföras med andra supernovor längre bort.

Ariel Goobar har varit med och byggt på avståndsstegen under hela sitt forskarliv. Han var med i en av de forskargrupper som kom fram till att universum inte bara expanderar, utan att expansionen går allt fortare. I den rådande kosmologiska modellen beskrivs den här accelerationen med en konstant, λ (den grekiska bokstaven Lambda). Vad som orsakar accelerationen är helt okänt, men medan det utforskas går den okända pådrivande faktorn under beteckningen mörk energi. Konstanten innebär att den mörka energin är en egenskap som finns i själva rymden och alltid har samma värde per volymenhet.

Den nya idén om att den mörka energin är dynamisk och förändras krockar alltså med den etablerade modellen. Det var i april 2024 som en forskargrupp publicerade en studie baserad på data från instrumentet Desi (Dark energy spectro­scopic instrument). Med Desi har forskare mätt positionerna för nästan 15 miljoner galaxer och skapar en stor tredimensionell karta av universum. Baserat på hur galaxerna är fördelade i rymden beräknar de hur universum har utvecklats.

När de lägger ihop sina data med andra typer av mätningar visar den modell som bäst passar med deras resultat att den mörka energin blir svagare eller glesare med tiden, i alla fall de senaste drygt fyra miljarder åren. Enligt deras analys verkar det alltså som om en kubikmeter av tomma rymden numera rymmer mindre mörk energi än en kubikmeter gjorde för några miljarder år sedan.

Eftersom ingen vet vad mörk energi faktiskt är letar forskare ivrigt efter nya infallsvinklar på mysteriet. Det här är det första riktigt nya som hänt inom fältet sedan forskare upptäckte universums acceleration och beskrev det med mörk energi. Därför har det blivit ett mycket omtalat resultat inom kosmologin. Men vad de nya rönen verkligen betyder är oklart, och vissa forskare är tveksamma till upptäckten. Den hänger dessutom på förståelsen av supernovor.

– Utan att vikta in supernovor är effekten inte signifikant, säger Ariel Goobar.

För att bena ut detta vore det alltså väldigt angeläget med nya studier av supernovor. De kan också ge nycklar till ett annat mysterium.

De senaste tio åren har det nämligen blivit allt tydligare att olika sätt att mäta universums expansion ger olika värden för hur mycket universum utvidgas, vilket betecknas med Hubble­parametern, H₀. Forskare som mäter expansionen utifrån strukturer i universums allra äldsta ljus, den kosmiska bakgrundsstrålningen, får ett värde som säger att galaxerna i genomsnitt avlägsnar sig omkring 67 kilometer i sekunden fortare för varje miljon parsek längre bort man tittar. Parsek är ett astronomiskt längdmått. De mätningar som utgår från vår egen punkt i rymden och klättrar längre och längre bort på avståndsstegen ger i stället omkring 73 kilometer per sekund och miljon parsek. Med nya studier har värdena blivit allt svårare att förena med varandra. Detta glapp mellan olika mätningar kallas för Hubblespänningen eller Hubblekonflikten.

I en tidigare artikel i F&F påpekade Ariel Goobar att Hubblekonflikten kanske beror på att någon tidigare mätning är felaktig eller i alla fall inte så precis som man trott.

Att göra om alla analyser med ett helt nytt urval av supernovor är alltså högintressant. Eftersom ZTF har gjort alla sina supernovamätningar på samma sätt har forskarna mycket bättre förutsättningar att jämföra dem med varandra. Genom åren har de förstått att supernovorna inte är så perfekta standardljus som man tidigare tänkt sig.

– Vi vet att det inte går att utgå från att alla är exakt lika, så då måste vi hantera det, säger Ariel Goobar.

För att nå den precision på en procent som behövs för att avgöra frågan om den mörka energin är konstant eller dynamisk behöver varje detalj i förståelsen av supernovaexplosionen finslipas.

Till att börja med är inte alla vita dvärgstjärnor identiska i sin sammansättning. I en gammal galax finns det större andel tunga grundämnen än i en ung galax, och stjärnorna blir då lite annorlunda. Själva smällens totala ljusstyrka kan skilja sig med några procent beroende på vilken galax stjärnorna befinner sig i. Dessutom verkar det finnas andra effekter som hänger ihop med supernovans omgivning och vilken typ av stoft som finns där.

För att korrigera mätningarna för sådana effekter krävs noggranna studier av hur super­novor ser ut i olika galaxer. Det finns källor till osäkerhet som forskarna inte har haft full koll på och som nu kan studeras bättre när flera tusen supernovor finns tillgängliga.

Dessutom är det svårt att förankra supernovorna på avståndsstegen. Den hittills vanligaste metoden att mäta avstånd till galaxer som innehåller supernovor utnyttjar en typ av stjärnor som kallas cepheider, som också fungerar som standardljus.

Problemet här är att cepheider bara går att mäta i vissa typer av galaxer. Eftersom forskarna redan vet att supernovor av typ Ia inte är likadana i alla galaxer behövs det en annan metod som fungerar mer allmänt. I analyserna från ZTF har forskarna tittat på en metod som utgår från många stjärnors förvandling till röda jättestjärnor. När astronomer ritar in stjärnor i ett diagram över ljusstyrka och färg kan de se att de stjärnor som gjort slut på sitt förråd av väte i kärnan blir rödare och rör sig längs ett spår som kallas för röd jätte-grenen. Den yttersta spetsen av den här grenen i diagrammet kallas TRGB (tip of the red giant branch), och ska alltid finnas vid samma ljusstyrka. Att hitta TRGB anses vara en både rättvisande och precis metod för att mäta avstånd till andra galaxer. Den här metoden använder ZTF-forskarna för att få ännu en kontroll av avstånden.

– Bland de supernovor som sållats fram av ZTF hittills är det fler än 50 som går att mäta avstånd till, men man behöver även observationer med Hubble eller James Webb-teleskopet, säger Ariel Goobar.

Det låter inte som jättemånga, men det är redan jämförbart med antalet som används för att förankra avståndsstegen i flera andra studier.

Allt eftersom ZTF samlar in data har forskarna gått igenom och kalibrerat sina supernovor. Utöver att korrigera för olika effekter av stjärnornas omgivningar måste de också förstå precis hur deras mätinstrument fungerar. Hur stark elektrisk signal blir det från ett visst antal ljuspartiklar? Skiljer det sig mellan olika våglängder på ljuset? Och så vidare.

– Vi har en grupp med 20 personer i Frankrike som har jobbat med detta i fyra år, säger Ariel Goobar.

Nu börjar de närma sig att kunna visa upp sina första egna kosmologiska studier, men än så länge är allt hemligt – även för dem själva. De gör nämligen sin analys blint. Det betyder att de inte tittar på de faktiska mätningarna, utan utformar hela beräkningen med hjälp av simuleringar. Först när allt är klart kommer de att ”avblinda” analysen genom att mata in sina riktiga mätdata och få ut olika siffror som resultat. Det här är en metod forskare använder för att inte lura sig själva och råka utforma analysen utifrån hur de tycker att resultatet borde bli. Det gäller bara att ha tålamod.

– Folk rycker i oss för att få svar, men vi håller igen, säger Ariel Goobar.

Mätningarna från ZTF släpps så att de blir tillgängliga för andra forskare. Så kan de få en extra, oberoende koll av vad de har kommit fram till.

– Kalibreringen kan bara vi göra, men allt det andra kan folk kolla.

Nästa steg blir att träna en maskininlärningsalgoritm på de supernovor som de har riktiga spektra från och som kontrollerats noga. Då kan de använda algoritmen för att gå igenom alla 40 000 supernovaliknande händelser som ZTF har fångat upp, och identifiera dem med hjälp av kurvan som visar hur de ökar och minskar i ljusstyrka över tid. Sedan går det att göra statistik med uppdelning i olika typer av galaxer, olika riktningar och olika avstånd. Har forskarna gjort allting rätt ska de nu ha kompenserat för alla skillnader och få samma svar i sina avståndsberäkningar från supernovaljuset var de än tittar.

Mot slutet av 2025 väntar sig Ariel Goobar att forskargruppen kommer att vara klar med sina första resultat. Det blir ett viktigt bidrag till kosmologin.

– Det här har gjorts så omsorgsfullt att resultaten kommer att stå sig länge. Kanske tio år, eller längre.