La misión romana de la NASA para explorar secretos cósmicos con estrellas en explosión

Fuente: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

El próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA verá miles de estrellas explosivas conocidas como supernovas en vastas extensiones de tiempo y espacio. Usando estas observaciones, los astrónomos pretenden arrojar luz sobre varios misterios cósmicos, proporcionando una ventana al pasado lejano y al presente nebuloso del universo.

El estudio de supernovas de Roman ayudará a aclarar las mediciones contradictorias de qué tan rápido se está expandiendo actualmente el universo e incluso proporcionará una nueva forma de estudiar la distribución de la materia oscura, que solo puede detectarse a través de efectos gravitacionales. Uno de los principales objetivos científicos de la misión es utilizar supernovas para determinar la naturaleza de la energía oscura, la inexplicable presión cósmica que acelera la expansión del universo.

El mayor misterio del cosmos

“La energía oscura constituye la mayor parte del cosmos, pero realmente no sabemos qué es”, dijo Jason Rhodes, científico principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro del Sur de California de la NASA. “Al reducir las posibles explicaciones, Roman podría revolucionar nuestra comprensión del universo, ¡y la energía oscura es solo uno de los muchos temas que abordará la misión!”

Roman utilizará muchos métodos para estudiar la energía oscura. El primero implica explorar el cielo en busca de un tipo especial de estrella en explosión llamada supernova de Tipo Ia.

Muchas supernovas aparecen cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible, colapsan violentamente por su propio peso y luego explotan debido a las poderosas ondas de choque que lanzan desde su interior. Estas supernovas aparecen aproximadamente cada 50 años en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Pero la evidencia muestra que las supernovas de Tipo Ia provienen de ciertos sistemas estelares binarios que contienen al menos una enana blanca, un remanente pequeño y caliente del núcleo de una estrella similar al Sol. Las supernovas de tipo Ia son mucho más raras y ocurren aproximadamente una vez cada 500 años en la Vía Láctea.

En algunos casos, un enano puede drenar material de su compañero. Esto finalmente desencadena una reacción descontrolada que detona al ladrón cuando llega a cierto punto en el que ha ganado tanta masa que se vuelve inestable. Los astrónomos también encontraron evidencia que respalda otro escenario, que involucra a dos enanas blancas que giran en espiral una hacia la otra hasta que se fusionan. Si su masa combinada es lo suficientemente grande como para provocar inestabilidad, también pueden formar una supernova de Tipo Ia.

Estas explosiones alcanzan su punto máximo con un brillo interno conocido similar, creando supernovas de Tipo Ia, las llamadas velas estándar, objetos o eventos que emiten una cierta cantidad de luz, lo que permite a los científicos determinar distancias utilizando una fórmula simple. Por esta razón, los astrónomos pueden determinar qué tan lejos están las supernovas simplemente midiendo su brillo.

Los astrónomos también usarán Roman para estudiar la luz de estas supernovas y descubrir qué tan rápido parecen alejarse de nosotros. Al comparar la rapidez con la que se alejan a diferentes distancias, los científicos rastrearán la expansión cósmica a lo largo del tiempo. Esto nos ayudará a comprender si la energía oscura ha cambiado a lo largo de la historia del universo y cómo ha cambiado.

“A fines de la década de 1990, los científicos descubrieron que la expansión del universo se está acelerando utilizando docenas de supernovas de Tipo Ia”, dijo Daniel Scolnic, profesor asociado de física en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, quien está ayudando a diseñar el estudio de supernovas de Roman. . “Roman encontrará miles de ellos y mucho más lejos que la mayoría que hemos visto hasta ahora”.

Los estudios anteriores de supernovas de Tipo Ia se han centrado en el universo relativamente cercano, en gran parte debido a las limitaciones de los instrumentos. La visión infrarroja, el gigantesco campo de visión y la excelente sensibilidad de Roman ampliarán enormemente la búsqueda, empujando las cortinas cósmicas lo suficientemente lejos como para permitir que los astrónomos detecten miles de supernovas de Tipo Ia distantes.

La misión estudiará en detalle los efectos de la energía oscura en más de la mitad de la historia del universo cuando tenía aproximadamente entre cuatro y 12 mil millones de años. Explorar esta región relativamente no probada ayudará a los científicos a agregar piezas clave al rompecabezas de la energía oscura.

“Las supernovas de tipo Ia se encuentran entre las sondas espaciales más importantes que tenemos, pero son difíciles de ver cuando están lejos”, dijo Scolnic. “Necesitamos medidas extremadamente precisas y un instrumento increíblemente estable, que es exactamente lo que proporcionará Roman”.

Zumbido constante del Hubble

Además de comparar con otros estudios de energía oscura realizados como parte de la misión, la observación de una supernova romana de Tipo Ia podría ayudar a los astrónomos a descubrir otro misterio. Aparecen discrepancias en las mediciones de la constante de Hubble, que describe qué tan rápido se expande actualmente el universo.

Las predicciones basadas en datos del universo temprano alrededor de 380,000 años después del Big Bang indican que el espacio ahora debería expandirse a aproximadamente 42 millas por segundo (67 kilómetros por segundo) por cada megaparsec de distancia (megaparsec es aproximadamente 3.26 millones de años luz). Pero las mediciones en el universo moderno muestran una expansión más rápida, de aproximadamente 43 a 47 millas por segundo (70 a 76 kilómetros por segundo) por megaparsec.

Roman ayudará examinando varias fuentes potenciales de estas discrepancias. Algunos métodos para determinar qué tan rápido se está expandiendo el universo en la actualidad se basan en supernovas de Tipo Ia. Si bien estas explosiones son notablemente similares y, por lo tanto, valiosas herramientas de medición de distancia, existen ligeras diferencias. La extensa encuesta de Roman puede mejorar su uso como velas estándar, ayudándonos a comprender qué causa estas diferencias.

La misión debería revelar cómo las propiedades de las supernovas de Tipo Ia cambian con la edad, como las veremos en una visión tan amplia de la historia cósmica. Roman también detectará estas explosiones en varios lugares de sus galaxias de origen, lo que podría dar pistas sobre cómo los alrededores de la supernova están cambiando su estallido.

Iluminando la materia oscura

En un artículo de 2020, un equipo dirigido por Zhongxu Zhai, investigador asociado de doctorado en Caltech / IPAC en Pasadena, California, mostró que los astrónomos podrán recopilar aún más información sobre el espacio observando las supernovas de Roman.

“Roman tendrá que mirar a través de vastas extensiones del universo para ver supernovas distantes”, dijo Yun Wang, científico principal de Caltech / IPAC y coautor del estudio. “Pueden suceder muchas cosas en viajes tan largos a través del espacio. Hemos demostrado que podemos aprender mucho sobre la estructura del universo analizando cómo la luz de la supernova de Tipo Ia se dobla al pasar por la materia circundante”.

Todo lo que tenga masa distorsiona la estructura del espacio-tiempo. La luz viaja en línea recta, pero cuando el espacio-tiempo es curvo, lo que ocurre cerca de objetos masivos, la luz sigue la curva. Cuando se observan supernovas distantes de Tipo Ia, el espacio-tiempo deformado alrededor de la materia intermedia, como las galaxias individuales o los cúmulos de materia oscura, puede amplificar la luz de una explosión más distante.

Al estudiar esta luz magnificada, los científicos tendrán una nueva forma de estudiar los cúmulos de materia oscura en el universo. Más información sobre la materia que compone el cosmos ayudará a los científicos a mejorar su modelo teórico de la evolución del universo.

Al rastrear el comportamiento de la energía oscura a lo largo de la historia cósmica, guiado por la forma en que el universo se está expandiendo hoy en día, y proporcionando más información sobre la misteriosa materia oscura, la misión romana proporcionará una avalancha de datos para los astrónomos que buscan resolver estos y otros problemas a largo plazo. problemas. Gracias a su capacidad para resolver tantos misterios cósmicos, Roman será una de las herramientas más importantes para explorar el universo que jamás hayamos construido.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman se administra en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, con contribuciones del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech / IPAC en el sur de California, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore y equipos de investigación compuestos por científicos de una variedad de estudios. Instituciones.

Proporcionado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

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