La supernova gemela abre nuevas posibilidades para la cosmología fina

Los cosmólogos han encontrado una forma de multiplicar Salud Medir distancias a 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 la colaboración con la cercana Supernova Factory (SNfactory), dirigida por Greg Aldring del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley), permitirán a los científicos estudiar la energía oscura con una exactitud y precisión mejoradas drásticamente, proporcionando una robusta combinación de elementos cruzados. examen de la tecnología a largas distancias y en el tiempo. Los resultados también serán fundamentales para los próximos experimentos cósmicos importantes que utilizarán nuevos telescopios terrestres y espaciales para probar explicaciones alternativas para la energía oscura.

Se han publicado dos artículos en El diario astrofísico Informar sobre estos hallazgos, con Kyle Boone como autor principal. Actualmente, soy becario postdoctoral en Universidad de Washington, Boone es un ex estudiante graduado ganador del Premio Nobel en Saul Perlmutter, científico jefe del Laboratorio de Berkeley y profesor de UC Berkeley que dirigió uno de los equipos que originalmente descubrió la energía oscura. Perlmutter también fue 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 constituye dos tercios de toda la energía del universo, ha sido confirmada desde entonces por una variedad de tecnologías independientes, así como por estudios más detallados de supernovas.

El descubrimiento de la energía oscura se basó en el uso de una clase específica de supernovas, Tipo 1. Estas supernovas siempre explotan aproximadamente con el mismo brillo máximo intrínseco. Debido a que el brillo máximo observado de la supernova se utilizó para inferir la distancia, las pequeñas diferencias restantes en el brillo máximo intrínseco limitaron la precisión con la que se podía probar la energía oscura. A pesar de 20 años de mejoras por parte de muchos grupos, los estudios de supernovas de energía oscura hasta ahora se han visto limitados por estas diferencias.

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 mucha precisión, pero ¿cómo saben si son iguales? La figura inferior derecha compara los espectros, mostrando que son, de hecho, «gemelos». Esto significa que sus distancias relativas se pueden medir con una precisión del 3 por ciento. El punto brillante en el medio de la parte superior es la imagen del Telescopio Espacial Hubble 1994D (SN1994D) en la galaxia NGC 4526.Crédito: Gráfico: Zosia Rostomian / Berkeley Lab; Foto: NASA / Agencia Espacial Europea

Cuadriplicar el número de supernovas

Los nuevos resultados anunciados por SNfactory provienen de un estudio de varios años totalmente dedicado a aumentar la precisión de las mediciones cósmicas realizadas con supernovas. La medición de la energía oscura requiere comparaciones del brillo máximo de supernovas distantes, que están a miles de millones de años luz de distancia de las supernovas cercanas, «sólo» a 300 millones de años luz de distancia. El equipo estudió con gran detalle cientos de supernovas cercanas. Cada supernova se midió varias veces, a intervalos de unos pocos días. Examine cada espectrómetro de supernova, registrando su intensidad en el rango de longitud de onda de la luz visible. Para medir los espectros se utilizó un instrumento especialmente diseñado para esta investigación, el Espectrómetro de campo integrado Supernova, que se instaló en el telescopio de 2,2 m de la Universidad de Hawaii en Maunakea.

«Siempre hemos tenido la idea de que si la física de la explosión de dos supernovas fuera la misma, su brillo máximo sería el mismo. Usando los espectros de la planta de supernova cercana como una especie de tomografía computarizada durante una explosión de supernova, podría probar esta idea «, dijo Perlmutter.

De hecho, hace varios años, la física Hanna Fakhoury, que en ese momento era una estudiante de posgrado que trabajaba con Perlmutter, descubrió la clave de los resultados de hoy. Al observar los muchos espectros capturados por SNfactory, encontré que en un gran número de casos, los espectros de las dos supernovas diferentes parecían casi idénticos. De las aproximadamente 50 supernovas, algunas eran gemelas casi idénticas. Cuando se ajustaron los espectros oscilantes de un par de gemelos, solo había una vía para el ojo. El análisis actual se basa en esta observación para modelar el comportamiento de las supernovas en el período cercano al momento de su brillo máximo.

El nuevo trabajo casi cuadruplica 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. El brillo intrínseco de las supernovas también depende principalmente de estas tres diferencias observadas, lo que hace posible medir las distancias de las supernovas con una precisión observada de aproximadamente el 3%.

Igualmente importante, este nuevo método no adolece de los sesgos que rodearon a los métodos anteriores, que se ven al comparar las supernovas encontradas en diferentes tipos de galaxias. Debido a que las galaxias cercanas son algo diferentes de las galaxias distantes, existía una seria preocupación de que tal dependencia pudiera producir lecturas falsas en la medición de la energía oscura. Esta preocupación ahora se puede reducir en gran medida midiendo supernovas distantes con esta nueva técnica.

Al describir este trabajo, Boone señaló que «la medición convencional de las distancias de las supernovas utiliza curvas de luz: imágenes capturadas en varios colores a medida que la supernova se ilumina y se desvanece. En su lugar, usamos un espectro de cada supernova. Estos son mucho más detallados y con Se convirtió en técnicas de aprendizaje automático. Entonces es posible discernir el comportamiento complejo que fue clave para una medición de distancia más precisa «.

Los resultados de los artículos de Bonn servirán de base a dos grandes experimentos futuros. El primer experimento será en el Observatorio Rubin de 8,4 metros de largo, en construcción en Chile, con la Encuesta de Patrimonio del Espacio y el Tiempo, un proyecto conjunto entre el Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencia. El segundo es NASASiguiente Telescopio Roman Nancy Grace. Estos telescopios medirán miles de supernovas para mejorar la medición de la energía oscura. Podrán comparar sus resultados con las mediciones realizadas mediante técnicas complementarias.

Aldering, quien también es coautor de los artículos, señala: “Esta técnica de medición de distancia no solo es más precisa, requiere solo un espectro, capturado cuando la supernova es más brillante y, por lo tanto, más fácil de notar: ¡cambia el juego! de particular valor en esta área donde se ha descubierto que las ideas preconcebidas son defectuosas y la necesidad de una verificación independiente es alta.

La colaboración de SNfactory incluye el Laboratorio de Berkeley, el Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías en la Sorbona, el Centro de Investigación Astronómica en Lyon y el Instituto de Física para Infinite 2 en la Universidad Claude Bernard. Universidad de YaleLa Universidad Humboldt de Alemania, el Instituto Max Planck de Astrofísica, la Universidad China de Tsinghua, el Centro de Física de Partículas en Marsella y la Universidad de Claremont-Auvergne.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la División de Astrofísica de la NASA, la Fundación Gordon y Betty Moore, el Instituto Nacional Francés de Física Nuclear y de Partículas y el Instituto Nacional de la Tierra y Astronomía del Centro Nacional Francés de Investigación Científica. La Fundación de Investigación Alemana, el Centro Espacial Alemán, el Consejo Europeo de Investigación, la Universidad de Tsinghua y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

Un ejemplo de supernova: The Palomar Transient Factory SN 2011fe descubierta en la galaxia Molinillo cerca de la Osa Mayor el 24 de agosto de 2011. Crédito: BJ Fulton, Red de Telescopios Global del Observatorio Las Cumbres

Antecedentes adicionales

En 1998, dos grupos en competencia que estudiaban las supernovas, el Proyecto de Cosmología de Supernovas y el Equipo de Búsqueda de Supernovas, anunciaron que habían encontrado evidencia de que, contrariamente a las expectativas, la expansión del universo no se estaba desacelerando sino que se estaba volviendo cada vez más rápida. La energía oscura es el término utilizado para describir la causa de la aceleración. El Premio Nobel de 2011 se otorga a los líderes de los dos equipos: Saul Perlmutter de Berkeley Lab y UC Berkeley, líder del proyecto de Cosmología de Supernova, y a Brian Schmidt de Universidad Nacional Australiana Adam Rees de Johns Hopkins es del equipo High-z.

Las técnicas adicionales para medir la energía oscura incluyen una herramienta de espectroscopia de energía oscura respaldada por el Departamento de Energía, dirigida por Berkeley Lab, que utilizará la espectroscopia en 30 millones de galaxias en una tecnología llamada oscilación acústica bariónica. Rubin también utilizará otro, llamado lente de gravedad débil.

Referencias:

«Inclusión de supernovas de tipo 1. I. Variación de los espectros a máxima luz» por K. Boone, G. Aldering, P. Antilogus, C. Aragon, S. Bailey, C. Baltay, S. Bongard y C. Buton, Y. Copin, S. Dixon, D. Fouchez, E. Gangler, R. Gupta, B. Hayden, W. Hillebrandt, AG Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P.-F. Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, KA Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, RC Thomas y M. Vincenzi, 6 de mayo de 2021, El diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3c

«Inclusión de gemelos de supernovas de tipo 1. II. Mejora de las estimaciones de distancia cósmica» por K. Boon, J. Aldring, B. Antelugus, C. Aragon, S. Bailey, C. Paltai, S. Bongard, C. Botton, Y. Cobain, S. Dickson Fuchs, E. Gangler, R. Gupta, B. Hayden, W. Hillebrandt, AG Kim, M. Kowalski, D. Küsters, P.-F. Léget, F. Mondon, J. Nordin, R. Pain, E. Pecontal, R. Pereira, S. Perlmutter, KA Ponder, D. Rabinowitz, M. Rigault, D. Rubin, K. Runge, C. Saunders, G Smadja, N. Suzuki, C. Tao, S. Taubenberger, RC Thomas y M. Vincenzi, 6 de mayo de 2021, El diario astrofísico.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3b