La figura superior izquierda muestra los espectros (brillo frente a longitud de onda) de dos supernovas. Uno está cerca y el otro muy lejos. Para medir la energía oscura, los científicos deben medir la distancia entre ellos con mucho cuidado, pero ¿cómo pueden saber si son iguales? La figura de la parte inferior derecha compara los espectros, lo que muestra que en realidad son “gemelos”. Esto significa que sus distancias relativas se pueden medir dentro del 3 por ciento. El punto brillante en el centro superior es una imagen de 1994D (SN1994D) de la galaxia NGC 4526 tomada por el Telescopio Espacial Hubble. Fuente: Zosia Rostomian / Berkeley Lab; foto: NASA / ESA
Los cosmólogos han encontrado una manera de duplicar la precisión de medir la distancia a las explosiones de supernovas, una de sus herramientas probadas y verdaderas para estudiar la misteriosa energía oscura que hace que el universo se expanda cada vez más rápido. Los resultados de una colaboración entre una fábrica de supernovas cercana (SNfactory), dirigida por Greg Aldering del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), permitirán a los científicos estudiar la energía oscura con una precisión y exactitud significativamente mayores, y proporcionarán una poderosa cruz -control de la técnica a larga distancia y tiempo. Los hallazgos también serán clave para futuros experimentos de cosmología que utilizarán nuevos telescopios terrestres y espaciales para probar explicaciones alternativas para la energía oscura.
Dos artículos publicados en Diario astrofísico para informar estos hallazgos, con Kyle Boone como autor principal. Actualmente estudiante de doctorado en la Universidad de Washington, Boone es un ex graduado del Premio Nobel Saul Perlmutter, un científico senior en Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley que dirigió uno de los equipos que originalmente descubrió la energía oscura. Perlmutter también es coautor de ambos estudios.
Las supernovas se utilizaron en 1998 para hacer el sorprendente descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando en lugar de desacelerarse como se esperaba. Esta aceleración, atribuida a la energía oscura, que representa dos tercios de toda la energía del universo, ha sido confirmada por varias técnicas independientes, así como por estudios más detallados de supernovas.
El descubrimiento de la energía oscura se basó en el uso de una clase especial de supernovas, Tipo Ia. Estas supernovas siempre explotarán con casi el mismo brillo máximo interno. Dado que la luminosidad máxima observada de una supernova se utiliza para determinar su distancia, los pequeños cambios restantes en la luminosidad máxima interna limitaron la precisión con la que se podía probar la energía oscura. A pesar de 20 años de mejoras por parte de muchos grupos, la investigación sobre la energía oscura de las supernovas se ha visto limitada hasta ahora por estos cambios.
Número cuádruple de supernovas
Los nuevos resultados anunciados por SNfactory provienen de años de investigación dedicados por completo a aumentar la precisión de las mediciones cosmológicas realizadas con supernovas. Medir la energía oscura requiere comparar las luminosidades máximas de supernovas distantes a miles de millones de años luz de distancia con las de supernovas cercanas “sólo” a 300 millones de años luz de distancia. El equipo estudió con gran detalle cientos de supernovas cercanas de este tipo. Cada supernova se midió varias veces con intervalos de varios días. En cada medición, se examinó el espectro de la supernova, registrando su intensidad en todo el rango de longitud de onda de la luz visible. Los espectros se midieron utilizando un instrumento personalizado para este estudio, el espectrómetro de campo integral SuperNova, instalado en el telescopio de 2,2 metros de la Universidad de Hawaii en Maunakea.
“Durante mucho tiempo pensamos que si la física de dos explosiones de supernova fuera la misma, su brillo máximo sería el mismo. Al usar los espectros de una fábrica de supernova cercana como una especie de exploración CAT a través de una explosión de supernova, podríamos probar la idea, dijo Perlmutter.
De hecho, hace unos años, la física Hannah Fakhouri, entonces estudiante de doctorado que trabajaba con Perlmutter, hizo del descubrimiento la clave de los resultados de hoy. Al observar los muchos espectros elaborados por la fábrica SN, descubrió que en muchos casos los espectros de las dos supernovas diferentes parecían casi idénticos. Entre alrededor de 50 supernovas, algunas eran gemelas prácticamente idénticas. Solo había un rastro en el ojo cuando los espectros de torsión de un par de gemelos se superpusieron. El análisis actual se basa en esta observación para modelar el comportamiento de las supernovas cerca de su brillo máximo.
Ejemplo de supernova: La Fábrica Transitoria Palomar capturó SN 2011fe en la Galaxia Molinillo cerca de la Osa Mayor el 24 de agosto de 2011. Fuente: BJ Fulton, Red del Telescopio Global del Observatorio Las Cumbres
El nuevo trabajo casi cuadriplica el número de supernovas utilizadas en el análisis. Esto hizo que la muestra fuera lo suficientemente grande como para aplicar técnicas de aprendizaje automático para identificar a estos gemelos, lo que llevó al descubrimiento de que los espectros de las supernovas de Tipo Ia difieren solo en tres formas. La luminosidad interna de las supernovas también depende principalmente de estas tres diferencias observadas, lo que hace posible medir las distancias de las supernovas con una precisión notable de alrededor del 3%.
Igualmente importante, este nuevo método no adolece de los defectos de los métodos anteriores al comparar supernovas en diferentes tipos de galaxias. Dado que las galaxias cercanas son ligeramente diferentes de las galaxias distantes, existía una seria preocupación de que tal relación daría como resultado lecturas falsas en la medición de la energía oscura. Ahora, este problema puede aliviarse significativamente midiendo supernovas distantes con esta nueva técnica.
Al describir este trabajo, Boone señaló: “Las mediciones de distancia de supernova convencionales utilizan curvas de luz: imágenes hechas en varios colores a medida que la supernova se aclara y se desvanece. En cambio, usamos el espectro de cada supernova. Son mucho más detallados y, al usar la máquina, al aprender las técnicas, es posible ver el comportamiento complejo que era clave para medir distancias con mayor precisión ”.
Los resultados de los artículos de Boone darán sus frutos en dos grandes experimentos próximos. El primer experimento se llevará a cabo en el Observatorio Rubin de 8.4 metros, que se está construyendo en Chile, como parte del proyecto Legacy Survey of Space and Time, un proyecto conjunto del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencia. El segundo es el próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman propiedad de la NASA. Estos telescopios medirán miles de supernovas para mejorar aún más la medición de la energía oscura. Podrán comparar sus resultados con mediciones realizadas con técnicas complementarias.
Aldering, también coautor de los artículos, señaló que “esta técnica de medición de distancia no solo es más precisa, sino que solo requiere un espectro, tomado cuando la supernova es más brillante y, por lo tanto, más fácil de observar: ¡cambio de juego!” Tener una variedad de técnicas es especialmente valioso en un área donde los prejuicios han demostrado ser incorrectos y la necesidad de una verificación independiente es alta.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley