Con la ayuda de una tubería automatizada de búsqueda de supernovas y una galaxia situada a 2 mil millones de años luz de distancia de la Tierra que actúa como una "lupa, Los astrónomos han capturado múltiples imágenes de una supernova de Tipo Ia, la brillante explosión de una estrella, que aparece en cuatro lugares diferentes del cielo. Hasta ahora, este es el único Tipo Ia descubierto que ha mostrado este efecto.

Este fenómeno llamado "lente gravitacional" es un efecto de la teoría de la relatividad de Einstein:la masa desvía la luz. Esto significa que el campo gravitacional de un objeto masivo, como una galaxia, puede desviar los rayos de luz que pasan cerca y reenfocarlos en otro lugar. haciendo que los objetos de fondo parezcan más brillantes y, a veces, en varias ubicaciones. Los astrofísicos creen que si pueden encontrar más de estos magnificados Tipo Ia, pueden ser capaces de medir la tasa de expansión del Universo con una precisión sin precedentes y arrojar algo de luz sobre la distribución de la materia en el cosmos.

Afortunadamente, al observar más de cerca las propiedades de este raro evento, dos investigadores del Laboratorio Nacional Law-rence Berkeley (Berkeley Lab) han ideado un método, una tubería, para identificar más de estas llamadas "supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes" en estudios de campo amplio existentes y futuros. Recientemente se publicó un artículo que describe su enfoque en el Cartas de revistas astrofísicas . Mientras tanto, un documento que detalla el descubrimiento y las observaciones de la supernova Tipo Ia de 4 mil millones de años, iPTF16geu, fue publicado en Ciencias el 21 de abril.

"Es extremadamente difícil encontrar una supernova con lentes gravitacionales, y mucho menos un tipo Ia con lentes. Estadísticamente sospechamos que puede haber aproximadamente uno de cada 50, 000 supernovas que identificamos, "dice Peter Nugent, astrofísico en la División de Investigación Computacional (CRD) de Berkeley Lab y autor de ambos artículos. "Pero desde el descubrimiento de iPTF16geu, ahora tenemos algunas ideas sobre cómo mejorar nuestra canalización para identificar más de estos eventos ".

Cosmic Surprise arroja nueva luz sobre cosmología

Durante muchos años, la naturaleza transitoria de las supernovas las hacía extremadamente difíciles de detectar. Hace treinta años, la tasa de descubrimiento fue de aproximadamente dos por mes. Pero gracias a Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), una nueva encuesta con un pipeline innovador, estos eventos se detectan a diario, algunos pocas horas después de que aparezcan sus explosiones iniciales.

El proceso de identificación de eventos transitorios, como supernovas, comienza cada noche en el Observatorio Palomar en el sur de California, donde una cámara de campo amplio montada en el telescopio robótico Samuel Oschin escanea el cielo. Tan pronto como se tomen las observaciones, los datos viajan más de 400 millas hasta el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Departamento de Energía (DOE), que se encuentra en Berkeley Lab. En NERSC, Los algoritmos de aprendizaje automático que se ejecutan en las supercomputadoras de la instalación examinan los datos en tiempo real e identifican los transitorios para que los investigadores los sigan.

El 5 de septiembre 2016, el oleoducto identificó a iPTF16geu como un candidato a supernova. A primera vista, el evento no parecía particularmente fuera de lo común. Nugent señala que muchos astrónomos pensaron que era solo una supernova típica de Tipo Ia ubicada a unos mil millones de años luz de distancia de la Tierra.

Como la mayoría de las supernovas que se descubren relativamente temprano, este evento se hizo más brillante con el tiempo. Poco después de que alcanzara el brillo máximo (magnitud 19), el profesor de Astrofísica Experimental de Partículas de la Universidad de Estocolmo, Ariel Goobar, decidió tomar un espectro, o un estudio de luz detallado, del objeto. Los resultados confirmaron que el objeto era de hecho una supernova de Tipo Ia, pero también demostraron que, asombrosamente, se encontraba a 4 mil millones de años luz de distancia. Un segundo espectro tomado con el instrumento OSIRIS en el telescopio Keck en Mauna Kea, Hawai, mostró sin lugar a dudas que la supernova estaba a 4 mil millones de años luz de distancia, y también reveló su galaxia anfitriona y otra galaxia ubicada a unos 2 mil millones de años luz de distancia que actuaba como una lente gravitacional, que amplificó el brillo de la supernova y la hizo aparecer en cuatro lugares diferentes del cielo.

"He estado buscando una supernova con lentes durante unos 15 años. Busqué en todas las encuestas posibles, Probé una variedad de técnicas para hacer esto y básicamente me rendí, por lo que este resultado fue una gran sorpresa, "dice Goobar, quien es el autor principal del Ciencias papel. "Una de las razones por las que estoy interesado en estudiar la lente gravitacional es que te permite medir la estructura de la materia, tanto la materia visible como la oscura, a escalas que son muy difíciles de conseguir".

Según Goobar, la encuesta en Palomar se estableció para observar objetos en el Universo cercano, a unos mil millones de años luz de distancia. Pero encontrar una supernova distante de Tipo Ia en esta encuesta permitió a los investigadores hacer un seguimiento con telescopios aún más potentes que resolvieron estructuras a pequeña escala en la galaxia anfitriona de la supernova. así como la lente de la galaxia que la está magnificando.

"Hay miles de millones de galaxias en el universo observable y se necesita un esfuerzo tremendo para mirar en una parte muy pequeña del cielo para encontrar este tipo de eventos. Sería imposible encontrar un evento como este sin una supernova magnificada que lo dirija hacia dónde mirar, ", dice Goobar." Tuvimos mucha suerte con este descubrimiento porque podemos ver las estructuras a pequeña escala en estas galaxias, pero no sabremos la suerte que tenemos hasta que encontremos más de estos eventos y confirmemos que lo que estamos viendo no es una anomalía ".

Otro beneficio de encontrar más de estos eventos es que pueden usarse como herramientas para medir con precisión la tasa de expansión del Universo. Una de las claves de esto son las lentes gravitacionales. Cuando una lente gravitacional fuerte produce varias imágenes de un objeto de fondo, la luz de cada imagen recorre un camino ligeramente diferente alrededor de la lente en su camino hacia la Tierra. Los caminos tienen diferentes longitudes, por lo que la luz de cada imagen tarda una cantidad de tiempo diferente en llegar a la Tierra.

"Si mide los tiempos de llegada de las diferentes imágenes, que resulta ser una buena forma de medir la tasa de expansión del Universo, ", dice Goobar." Cuando las personas miden la tasa de expansión del Universo ahora localmente usando supernovas o estrellas Cefeidas, obtienen un número diferente de aquellos que miran las primeras observaciones del universo y el fondo cósmico de microondas. Hay tensión ahí fuera y sería estupendo si pudiéramos contribuir a resolver esa búsqueda ".

Nuevos métodos olfatear supernovas con lentes

Según Danny Goldstein, estudiante de posgrado en astronomía de UC Berkeley y autor de la carta del Astrophysical Journal, sólo se han descubierto unas pocas supernovas con lentes gravitacionales de cualquier tipo, incluido iPTF16geu, y todos han sido descubiertos por casualidad.

"Al descubrir cómo encontrar sistemáticamente supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes como iPTF16geu, Esperamos allanar el camino para búsquedas de supernovas con lentes a gran escala, que desbloqueará el potencial de estos objetos como herramientas para la cosmología de precisión, "dice Goldstein, que trabajó con Nugent para diseñar un método para encontrarlos en encuestas de campo amplio existentes y futuras.

La idea clave de su técnica es utilizar el hecho de que las supernovas de Tipo Ia son "velas estándar" —objetos con el mismo brillo intrínseco— para identificar las que se magnifican mediante lentes. Sugieren comenzar con supernovas que parecen estallar en galaxias rojas que han dejado de formar estrellas. Estas galaxias solo albergan supernovas de Tipo Ia y constituyen la mayor parte de las lentes gravitacionales. Si un candidato a supernova que parece estar alojado en una galaxia de este tipo es más brillante que el brillo "estándar" de una supernova de Tipo Ia, Goldstein y Nugent argumentan que existe una gran posibilidad de que la supernova no resida realmente en la galaxia, sino que es una supernova de fondo reflejada por el aparente anfitrión.

"Una de las innovaciones de este método es que no tenemos que detectar múltiples imágenes para inferir que una supernova tiene lentes, ", dice Goldstein." Esta es una gran ventaja que debería permitirnos encontrar más de estos eventos de lo que se creía posible ".

Usando este método, Nugent y Goldstein predicen que el próximo Gran Telescopio de Estudio Sinóptico debería poder detectar alrededor de 500 supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes en el transcurso de 10 años, aproximadamente 10 veces más que las estimaciones anteriores. Mientras tanto, la instalación transitoria de Zwicky, que comienza a tomar datos en agosto de 2017 en Palomar, debería encontrar aproximadamente 10 de estos eventos en una búsqueda de tres años. Los estudios en curso muestran que cada imagen de supernova Tipo Ia con lente tiene el potencial de generar un cuatro por ciento, o mejor, medición de la tasa de expansión del universo. Si se da cuenta, esto podría agregar una herramienta muy poderosa para sondear y medir los parámetros cosmológicos.

"Estamos llegando al punto en que nuestras encuestas transitorias son lo suficientemente grandes, nuestras tuberías son lo suficientemente eficientes, y nuestros conjuntos de datos externos son lo suficientemente ricos como para que podamos analizar los datos y llegar a estos eventos raros, ", agrega Goldstein." Es un momento emocionante para trabajar en este campo ".

iPTF es una colaboración científica entre Caltech; Laboratorio Nacional de Los Alamos; la Universidad de Wisconsin, Milwaukee; el Centro Oskar Klein en Suecia; el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel; el Programa TANGO del Sistema Universitario de Taiwán; y el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Uni-verse en Japón. NERSC es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.