Los cosmólogos han encontrado una manera de duplicar la precisión de la medición de distancias 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 la colaboración de Near Supernova Factory (SNfactory), dirigido por Greg Aldering del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), permitirá a los científicos estudiar la energía oscura con una precisión y exactitud muy mejoradas, y proporcionar una poderosa verificación cruzada de la técnica a través de vastas distancias y tiempo. Los hallazgos también serán fundamentales para los próximos experimentos de cosmología importantes que utilizarán nuevos telescopios terrestres y espaciales para probar explicaciones alternativas de la energía oscura.

Dos artículos publicados en el Diario astrofísico informar estos hallazgos, con Kyle Boone como autor principal. Actualmente becario postdoctoral en la Universidad de Washington, Boone es un ex estudiante de posgrado del premio Nobel Saul Perlmutter, el científico senior de Berkeley Lab 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 reducir la velocidad 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 técnicas independientes, así como por estudios más detallados de supernovas.

El descubrimiento de la energía oscura se basó en el uso de una clase particular de supernovas, Tipo Ia. Estas supernovas siempre explotan con casi el mismo brillo máximo intrínseco. Debido a que el brillo máximo observado de la supernova se usa para inferir su distancia, las pequeñas variaciones restantes en el brillo máximo intrínseco limitaban 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 la energía oscura hasta ahora han estado limitados por estas variaciones.

Cuadriplicar el número de supernovas

Los nuevos resultados anunciados por SNfactory provienen de un estudio de varios años dedicado por completo a aumentar la precisión de las mediciones cosmológicas realizadas con supernovas. La medición de la energía oscura requiere comparaciones de los brillos máximos de supernovas distantes a miles de millones de años luz de distancia con los de supernovas cercanas "sólo" a 300 millones de años luz de distancia. El equipo estudió cientos de supernovas cercanas de este tipo con exquisito detalle. Cada supernova se midió varias veces, a intervalos de unos pocos días. Cada medición examinó el espectro de la supernova, registrando su intensidad en el rango de longitud de onda de la luz visible. Un instrumento hecho a medida para esta investigación, el espectrómetro de campo integral SuperNova, instalado en el telescopio de 2,2 metros de la Universidad de Hawaii en Maunakea, se utilizó para medir los espectros.

"Durante mucho tiempo hemos tenido la idea de que si la física de la explosión de dos supernovas fuera la misma, sus brillos máximos serían los mismos. Usando los espectros de la fábrica de supernovas cercanas como una especie de exploración CAT a través de la explosión de supernova, podríamos probar esta idea, "dijo Perlmutter.

En efecto, muchos años atrás, la física Hannah Fakhouri, luego un estudiante graduado que trabaja con Perlmutter, hizo un descubrimiento clave para los resultados de hoy. Mirando una multitud de espectros tomados por SNfactory, descubrió que en bastantes casos, los espectros de dos supernovas diferentes parecían casi idénticos. Entre las 50 o más supernovas, algunos eran gemelos prácticamente idénticos. Cuando se superpusieron los espectros ondulantes de un par de gemelos, a simple vista había una sola pista. 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 supernovas de Tipo Ia varían en solo tres formas. Los brillos intrínsecos de las supernovas también dependen principalmente de estas tres diferencias observadas, lo que permite medir distancias de supernovas con una notable precisión de aproximadamente el 3%.

Igualmente importante, este nuevo método no adolece de los sesgos que han acosado a los métodos anteriores, visto al comparar supernovas encontradas en diferentes tipos de galaxias. Dado que las galaxias cercanas son algo diferentes a las distantes, Existía una seria preocupación de que tal dependencia produjera lecturas falsas en la medición de energía oscura. Ahora bien, esta preocupación se puede reducir en gran medida midiendo supernovas distantes con esta nueva técnica.

Al describir este trabajo, Boone señaló, "La medición convencional de las distancias de las supernovas utiliza curvas de luz:imágenes tomadas en varios colores a medida que una supernova se ilumina y se desvanece. En su lugar, utilizamos un espectro de cada supernova. Estos son mucho más detallados, y con técnicas de aprendizaje automático fue posible discernir el comportamiento complejo que era clave para medir distancias más precisas ".

Los resultados de los artículos de Boone beneficiarán a dos grandes experimentos próximos. El primer experimento se realizará en el Observatorio Rubin de 8,4 metros, en construcción en Chile, con su Legacy Survey of Space and Time, un proyecto conjunto del Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias. El segundo es el próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman 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 mediante técnicas complementarias.

Aldering, también coautor de los artículos, observó que "esta técnica de medición de distancia no solo es más precisa, solo requiere un único espectro, tomada cuando una supernova es más brillante y, por lo tanto, más fácil de observar, ¡un cambio de juego! ”Tener una variedad de técnicas es particularmente valioso en este campo donde las ideas preconcebidas han resultado ser incorrectas y la necesidad de verificación independiente es alta.