El próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA verá miles de estrellas en explosión llamadas 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 distante 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 el universo actualmente, e incluso proporcionar una nueva forma de investigar la distribución de la materia oscura, que es detectable sólo a través de sus efectos gravitacionales. Uno de los principales objetivos científicos de la misión implica el uso de supernovas para ayudar a precisar la naturaleza de la energía oscura:la inexplicable presión cósmica que acelera la expansión del universo.

El mayor misterio del espacio

"La energía oscura constituye la mayor parte del cosmos, pero en realidad no sabemos qué es "dijo Jason Rhodes, científico investigador senior del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. "Al reducir las posibles explicaciones, Roman podría revolucionar nuestra comprensión del universo, ¡y la energía oscura es solo uno de los muchos temas que explorará la misión! "

Roman utilizará múltiples métodos para investigar la energía oscura. Uno implica inspeccionar el cielo en busca de un tipo especial de estrella en explosión, llamada supernova de tipo Ia.

Muchas supernovas ocurren cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible, colapsar rápidamente por su propio peso, y luego explotan debido a fuertes ondas de choque que salen de sus interiores. Estas supernovas ocurren aproximadamente una vez cada 50 años en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Pero la evidencia muestra que las supernovas de tipo Ia se originan en algunos sistemas estelares binarios que contienen al menos una enana blanca:la pequeña, remanente de núcleo caliente de una estrella similar al Sol. Las supernovas de tipo Ia son mucho más raras, sucediendo aproximadamente una vez cada 500 años en la Vía Láctea.

En algunos casos, el enano puede desviar material de su compañero. Esto finalmente desencadena una reacción descontrolada que detona al ladrón una vez que alcanza un punto específico donde ha ganado tanta masa que se vuelve inestable. Los astrónomos también han encontrado evidencia que respalda otro escenario, involucrando a dos enanas blancas que giran en espiral una hacia la otra hasta que se fusionan. Si su masa combinada es lo suficientemente alta como para provocar inestabilidad, ellos, también, puede producir una supernova de tipo Ia.

Estas explosiones alcanzan un pico similar, brillo intrínseco conocido, hacer supernovas de tipo Ia llamadas velas estándar:objetos o eventos que emiten una cantidad específica de luz, permitiendo a los científicos encontrar su distancia con una fórmula sencilla. Debido a esto, Los astrónomos pueden determinar qué tan lejos están las supernovas simplemente midiendo qué tan brillantes parecen.

Los astrónomos también usarán Roman para estudiar la luz de estas supernovas y descubrir qué tan rápido parecen alejarse de nosotros. Al comparar qué tan rápido retroceden 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 finales de la década de 1990, Los científicos descubrieron que la expansión del universo se estaba acelerando utilizando docenas de supernovas de tipo Ia, "dijo Daniel Scolnic, profesor asistente de física en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, que está ayudando a diseñar el estudio de supernovas de Roman. "Roman los encontrará por miles, y mucho más lejos que la mayoría de los que hemos visto hasta ahora ".

Los estudios previos de supernovas de tipo Ia se han concentrado en el universo relativamente cercano, en gran parte debido a las limitaciones de los instrumentos. La visión infrarroja de Roman, campo de visión gigantesco, y una sensibilidad exquisita ampliará drásticamente la búsqueda, tirando de las cortinas cósmicas lo suficiente a un lado para permitir que los astrónomos detecten miles de supernovas de tipo Ia distantes.

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

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

Hubble constante alboroto

Además de proporcionar una verificación cruzada con otras encuestas de energía oscura de la misión, Las observaciones de la supernova de tipo Ia de Roman podrían ayudar a los astrónomos a examinar otro misterio. Siguen apareciendo discrepancias en las mediciones de la constante de Hubble, que describe qué tan rápido se está expandiendo actualmente el universo.

Predicciones basadas en datos del universo temprano, desde aproximadamente 380, 000 años después del Big Bang, indican que el cosmos debería expandirse actualmente a unas 42 millas por segundo (67 kilómetros por segundo) por cada megaparsec de distancia (un megaparsec equivale a unos 3,26 millones de años luz). Pero las mediciones del universo moderno indican una expansión más rápida, entre aproximadamente 43 a 47 millas por segundo (70 a 76 kilómetros por segundo) por megaparsec.

Roman ayudará explorando diferentes fuentes potenciales de estas discrepancias. Some methods to determine how fast the universe is now expanding rely on type Ia supernovae. While these explosions are remarkably similar, which is why they're valuable tools for gauging distances, small variations do exist. Roman's extensive survey could improve their use as standard candles by helping us understand what causes the variations.

The mission should reveal how the properties of type Ia supernovae change with age, since it will view them across such a vast sweep of cosmic history. Roman will also spot these explosions in various locations in their host galaxies, which could offer clues to how a supernova's environment alters its explosion.

Illuminating dark matter

In a 2020 paper, a team led by Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, California, showed that astronomers will be able to glean even more cosmic information from Roman's supernova observations.

"Roman will have to look through enormous stretches of the universe to see distant supernovae, " said Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC and a co-author of the study. "A lot can happen to light on such long journeys across space. We've shown that we can learn a lot about the structure of the universe by analyzing how light from type Ia supernovae has been bent as it traveled past intervening matter."

Anything with mass warps the fabric of space-time. Light travels in a straight line, but if space-time is bent—which happens near massive objects—light follows the curve. When we look at distant type Ia supernovae, the warped space-time around intervening matter—such as individual galaxies or clumps of dark matter—can magnify the light from the more distant explosion.

By studying this magnified light, scientists will have a new way to probe how dark matter is clustered throughout the universe. Learning more about the matter that makes up the cosmos will help scientists refine their theoretical model of how the universe evolves.

By charting dark energy's behavior across cosmic history, homing in on how the universe is expanding today, and providing more information on mysterious dark matter, the Roman mission will deliver an avalanche of data to astronomers seeking to solve these and other longstanding problems. With its ability to help solve so many cosmic mysteries, Roman will be one of the most important tools for studying the universe we've ever built.

The Nancy Grace Roman Space Telescope is managed at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, with participation by NASA's Jet Propulsion Laboratory and Caltech/IPAC in Southern California, the Space Telescope Science Institute in Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.