En 1929, Edwin Hubble sorprendió a muchas personas, incluido Albert Einstein, cuando mostró que el universo se está expandiendo. Otra bomba se produjo en 1998 cuando dos equipos de astrónomos demostraron que la expansión cósmica en realidad se está acelerando debido a una propiedad misteriosa del espacio llamada energía oscura. Este descubrimiento proporcionó la primera evidencia de lo que ahora es el modelo reinante del universo:"Lambda-CDM, "que dice que el cosmos es aproximadamente un 70 por ciento de energía oscura, 25 por ciento de materia oscura y 5 por ciento de materia "normal" (todo lo que hemos observado).

Hasta 2016, Lambda-CDM concordaba maravillosamente con décadas de datos cosmológicos. Luego, un equipo de investigación utilizó el telescopio espacial Hubble para realizar una medición extremadamente precisa de la tasa de expansión cósmica local. El resultado fue otra sorpresa:los investigadores encontraron que el universo se expandía un poco más rápido que Lambda-CDM y el Fondo de microondas cósmico (CMB), radiación reliquia del Big Bang, predicho. Entonces parece que algo anda mal:¿podría esta discrepancia ser un error sistemático, o posiblemente nueva física?

Los astrofísicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido creen que las supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes son la clave para responder a esta pregunta. Y en un nuevo Diario astrofísico papel, describen cómo controlar "microlentes, "un efecto físico que muchos científicos creían que sería una fuente importante de incertidumbre frente a estas nuevas sondas cósmicas. También muestran cómo identificar y estudiar estos eventos raros en tiempo real".

"Desde que salió el resultado de CMB y confirmó la aceleración del universo y la existencia de materia oscura, Los cosmólogos han estado tratando de hacer cada vez mejores mediciones de los parámetros cosmológicos, encoger las barras de error, "dice Peter Nugent, astrofísico en el Centro de Cosmología Computacional (C3) de Berkeley Lab y coautor del artículo. "Las barras de error son ahora tan pequeñas que deberíamos poder decir 'esto y esto están de acuerdo, 'por lo que los resultados presentados en 2016 introdujeron una gran tensión en la cosmología. Nuestro artículo presenta un camino a seguir para determinar si el desacuerdo actual es real o si es un error ".

Mejores marcadores de distancia arrojan una luz más brillante sobre la historia cósmica

Cuanto más lejos está un objeto en el espacio, cuanto más tarda su luz en llegar a la Tierra. Entonces, cuanto más lejos miramos, cuanto más atrás en el tiempo vemos. Por décadas, Las supernovas de tipo Ia han sido marcadores de distancia excepcionales porque son extraordinariamente brillantes y similares en brillo sin importar dónde se encuentren en el cosmos. Al mirar estos objetos, Los científicos descubrieron que la energía oscura está impulsando la expansión cósmica.

Pero el año pasado, un equipo internacional de investigadores encontró un marcador de distancia aún más confiable:la primera supernova de Tipo Ia con lentes fuertes. Estos eventos ocurren cuando el campo gravitacional de un objeto masivo, como una galaxia, se dobla y reenfoca la luz que pasa de un evento de Tipo Ia detrás de él. Esta "lente gravitacional" hace que la luz de la supernova parezca más brillante y, a veces, en múltiples ubicaciones. si los rayos de luz viajan por caminos diferentes alrededor del objeto masivo.

Debido a que las diferentes rutas alrededor del objeto masivo son más largas que otras, la luz de diferentes imágenes del mismo evento de Tipo Ia llegará en diferentes momentos. Al rastrear el tiempo de retardo entre las imágenes fuertemente enfocadas, Los astrofísicos creen que pueden obtener una medida muy precisa de la tasa de expansión cósmica.

"Las supernovas con lentes fuertes son mucho más raras que las supernovas convencionales:son una de cada 50, 000. Aunque esta medida se propuso por primera vez en la década de 1960, nunca se ha hecho porque hasta la fecha solo se han descubierto dos supernovas con lentes fuertes, ninguno de los cuales era susceptible de mediciones de retardo de tiempo, "dice Danny Goldstein, estudiante de posgrado de UC Berkeley y autor principal de la nueva Diario astrofísico papel.

Después de ejecutar una serie de simulaciones computacionalmente intensivas de luz de supernova en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía ubicada en Berkeley Lab, Goldstein y Nugent sospechan que podrán encontrar alrededor de 1, 000 de estas supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes en los datos recopilados por el próximo Large Synoptic Survey Telescope (LSST), aproximadamente 20 veces más que las expectativas anteriores. Estos resultados son la base de su nuevo artículo en el Diario astrofísico .

"Con tres cuásares con lentes (balizas cósmicas que emanan de agujeros negros masivos en el centro de las galaxias), los colaboradores y yo medimos la tasa de expansión con una precisión del 3.8 por ciento. Obtuvimos un valor más alto que la medición del CMB, pero necesitamos más sistemas para estar realmente seguros de que algo anda mal con el modelo estándar de cosmología, "dice Thomas Collett, astrofísico de la Universidad de Portsmouth y coautor de la nueva Diario astrofísico papel. "Puede llevar años obtener una medición de retardo de tiempo con cuásares, pero este trabajo muestra que podemos hacerlo por supernovas en meses. Mil supernovas con lentes nos permitirán concretar realmente la cosmología ".

Además de identificar estos eventos, las simulaciones de NERSC también les ayudaron a demostrar que las supernovas de Tipo Ia con lentes fuertes pueden ser sondas cosmológicas muy precisas.

"Cuando los cosmólogos intentan medir los retrasos en el tiempo, el problema que encuentran a menudo es que las estrellas individuales en la galaxia lente pueden distorsionar las curvas de luz de las diferentes imágenes del evento, haciendo que sea más difícil emparejarlos, "dice Goldstein." Este efecto, conocido como 'microlente, 'hace que sea más difícil medir retrasos de tiempo precisos, que son esenciales para la cosmología ".

Pero después de ejecutar sus simulaciones, Goldstein y Nugent encontraron que la microlente no cambiaba los colores de la supernova Tipo Ia con lentes fuertes en sus primeras fases. Por lo tanto, los investigadores pueden restar los efectos no deseados de la microlente trabajando con colores en lugar de curvas de luz. Una vez restados estos efectos indeseables, los científicos podrán igualar fácilmente las curvas de luz y realizar mediciones cosmológicas precisas.

Llegaron a esta conclusión modelando las supernovas utilizando el código SEDONA, que fue desarrollado con fondos de dos institutos DOE Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) para calcular curvas de luz, espectros y polarización de modelos asféricos de supernovas.

"A principios de la década de 2000, el DOE financió dos proyectos SciDAC para estudiar las explosiones de supernovas, Básicamente, tomamos la salida de esos modelos y los pasamos a través de un sistema de lentes para demostrar que los efectos son acromáticos. "dice Nugent.

"Las simulaciones nos dan una imagen deslumbrante del funcionamiento interno de una supernova, con un nivel de detalle que nunca podríamos conocer de otra manera, "dice Daniel Kasen, un astrofísico en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, y coautor del artículo. "Los avances en la informática de alto rendimiento finalmente nos permiten comprender la muerte explosiva de las estrellas, y este estudio muestra que estos modelos son necesarios para descubrir nuevas formas de medir la energía oscura ".

Llevando la caza de supernovas al extremo

Cuando LSST comience las operaciones completas de la encuesta en 2023, podrá escanear todo el cielo en solo tres noches desde su posición en la cordillera del Cerro Pachón en el centro-norte de Chile. Durante su misión de 10 años, Se espera que LSST entregue más de 200 petabytes de datos. Como parte de LSST Dark Energy Science Collaboration, Nugent y Goldstein esperan poder ejecutar algunos de estos datos a través de una novedosa tubería de detección de supernovas, basado en NERSC.

Durante más de una década, La tubería de detección de transitorios en tiempo real de Nugent que se ejecuta en NERSC ha estado utilizando algoritmos de aprendizaje automático para rastrear las observaciones recopiladas por el factor transitorio de Palomar (PTF) y luego la fábrica de transitorios de Palomar intermedio (iPTF), buscando cada noche objetos "transitorios" que cambian en brillo o posición comparando las nuevas observaciones con todos los datos recopilados de noches anteriores. Minutos después de que se descubre un evento interesante, Luego, las máquinas de NERSC activan telescopios en todo el mundo para recopilar observaciones de seguimiento. De hecho, fue esta tubería la que reveló la primera supernova de Tipo Ia con lentes fuertes a principios de este año.

"Lo que esperamos hacer por el LSST es similar a lo que hicimos por Palomar, pero por 100, "dice Nugent." Habrá una avalancha de información todas las noches de LSST. Queremos tomar esos datos y preguntar qué sabemos sobre esta parte del cielo, ¿Qué sucedió allí antes y esto es algo que nos interesa para la cosmología? "

Agrega que una vez que los investigadores identifican la primera luz de un evento de supernova con lentes fuertes, El modelado computacional también podría usarse para predecir con precisión cuándo aparecerá la próxima luz. Los astrónomos pueden usar esta información para activar telescopios terrestres y espaciales para seguir y captar esta luz. esencialmente permitiéndoles observar una supernova segundos después de que estalla.

"Vine al Laboratorio de Berkeley hace 21 años para trabajar en el modelado de transferencia radiativa de supernovas y ahora, por primera vez, hemos utilizado estos modelos teóricos para demostrar que podemos hacer mejor la cosmología, ", dice Nugent." Es emocionante ver que DOE cosechar los beneficios de las inversiones en cosmología computacional que comenzaron a hacer hace décadas ".