Saltar al contenido
¿Pueden las Supernovas de tipo Ia observadas con lentes gravitatorias fuertes resolver una de las mayores controversias de la Cosmología?
Los investigadores del Berkeley Lab piensan que sí, y están utilizando los supercomputadores NERSC para encontrarlos.
Este compuesto de dos simulaciones astrofísicas muestra una supernova de Tipo Ia (disco púrpura) que se expande sobre diferentes patrones de aumento de microlentes (campos de color). Debido a que las estrellas individuales en la galaxia lente pueden cambiar significativamente el brillo de un evento con lente, las regiones de la supernova pueden experimentar diferentes cantidades de brillo y oscurecimiento, que los científicos creen que sería un problema para los cosmólogos que miden los retrasos. Utilizando simulaciones informáticas detalladas en NERSC, los astrofísicos mostraron que esto tendría un pequeño efecto en la cosmología de tiempo de retraso. Crédito: Danny Goldstein / UC Berkeley.
En 1929, Edwin Hubble sorprendió a muchas personas, incluido Albert Einstein, cuando demostró que el Universo se está expandiendo. Otra bomba vino en 1998 cuando dos equipos de astrónomos probaron que la expansión cósmica en realidad se está acelerando debido a una misteriosa propiedad 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 contiene aproximadamente un 70% de energía oscura, un 25% de materia oscura y un 5% de materia “normal” (todo lo que hemos observado alguna vez).
Hasta el 2016, el modelo Lambda-CDM estuvo de acuerdo con las 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 estaba expandiendo un poco más rápido que lo predicho por el modelo Lambda-CDM y por el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), radiación reliquia del Big Bang. Entonces, parece que algo anda mal. ¿Podría esta discrepancia ser un error sistemático, o posiblemente una nueva Física?
Los astrofísicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y del Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido creen que las supernovas de Tipo Ia con vistas con lentes fuertes son la clave para responder a esta pregunta. Y en un nuevo artículo del Astrophysical Journal , describen cómo controlar la “microlente”, un efecto físico que muchos científicos creen que sería una importante fuente 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 del CMB y confirmó el universo en aceleración y la existencia de materia oscura, los cosmólogos intentaron hacer mejores y mejores mediciones de los parámetros cosmológicos, reducir las barras de error”, dice Peter Nugent, Astrofísico del Centro de Cosmología Computacional (C3) del Berkeley Lab. y coautor del artículo. “Las barras de error son ahora tan pequeñas que deberíamos poder decir ‘esto y esto está de acuerdo’, por lo que los resultados presentados en 2016 introdujeron una gran tensión en la Cosmología. Nuestro documento 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 en la historia cósmica.
Cuanto más lejos esté un objeto en el espacio, más tardará su luz en llegar a la Tierra. Entonces cuanto más nos alejamos, más atrás en el tiempo vemos. Durante 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 observar 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 detectada con una lente fuerte. Estos eventos ocurren cuando el campo gravitatorio de un objeto masivo, como una galaxia, curva y vuelve a enfocar la luz proveniente de un evento 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 diferentes caminos alrededor del objeto masivo.
Debido a que las diferentes rutas alrededor del objeto masivo son unas más largas que otras, la luz de diferentes imágenes del mismo evento Tipo Ia llegará en diferentes momentos. Al rastrear el tiempo de demora entre las imágenes producidas por la lente intensa, los astrofísicos creen que pueden obtener una medición muy precisa de la velocidad de expansión cósmica.
“Las supernovas con grandes lentes son mucho más raras que las supernovas convencionales, son una en 50,000. Aunque esta medición se propuso por primera vez en la década de 1960, nunca se ha realizado porque hasta la fecha se han descubierto sólo dos supernovas de lentes fuertes, ninguna de las cuales permitía mediciones de retardo de tiempo “, dice Danny Goldstein, estudiante graduado de UC Berkeley y autor principal en el nuevo artículo en el Astrophysical Journal.
Después de ejecutar una serie de simulaciones computacionales intensivas de luz de supernova en el Centro Nacional Científico de Computación de Investigación de Energía (NERSC), una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía ubicada en Berkeley Lab, Goldstein y Nugent sospechan que podrán encontrar información sobre 1,000 de estas supernovas de Tipo Ia observadas por el efecto fuerte de lente en los datos recopilados por el próximo Large Synoptic Survey Telescope (LSST) , unas 20 veces más de las expectativas previas. Estos resultados son la base de su nuevo artículo en el Astrophysical Journal.
“Con tres cuásares con lente (balizas cósmicas que emanan de enormes agujeros negros en el centro de las galaxias), mis colaboradores y yo medimos la tasa de expansión con una precisión del 3.8 por ciento . Obtuvimos un valor más alto que la medición proveniente 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 del nuevo Astrophysical Journal paper. “Puede llevar años obtener una medición de retardo de tiempo con cuásares, pero este trabajo muestra que podemos hacerlo con supernovas en meses. Mil supernovas con lentes nos permitirán realmente descifrar la Cosmología “.
Además de identificar estos eventos, las simulaciones de NERSC también les ayudaron a probar que las supernovas de Tipo Ia observadas con lentes gravitatorias fuertes, pueden ser sondas cosmológicas muy precisas.
“Cuando los cosmólogos tratan de medir los retrasos en el tiempo, el problema que a menudo encuentran es que las estrellas individuales en la galaxia que hace de lente gravitatorio pueden distorsionar las curvas de luz de las diferentes imágenes del evento, dificultando su compatibilidad”, dice Goldstein. “Este efecto, conocido como ‘microlente’, hace que sea más difícil medir los retrasos de tiempo precisos, que son esenciales para la Cosmología”.
Pero después de ejecutar sus simulaciones, Goldstein y Nugent descubrieron que la microlentegrafía no cambiaba los colores de la supernova de tipo Ia con lentes fuertes en sus primeras fases. De modo que los investigadores pueden restar los efectos no deseados de la microlente al trabajar con colores en lugar de curvas de luz. Una vez que se restan estos efectos indeseables, los científicos podrán hacer coincidir fácilmente las curvas de luz y realizar mediciones cosmológicas precisas.
“A principios de la década de 2000, el DOE financió dos proyectos de SciDAC para estudiar las explosiones de supernova, básicamente tomamos la producción 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 deslumbrante imagen del funcionamiento interno de una supernova, con un nivel de detalle que nunca podríamos saber de otra manera”, dice Daniel Kasen, un Astrofísico de la División de Ciencias Nucleares del laboratorio de Berkeley, 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 tales modelos son necesarios para descubrir nuevas formas de medir la energía oscura”.
Llevando la caza de supernovas al extremo
Cuando el LSST comience las operaciones de relvantamiento completo en 2023, podrá escanear todo el cielo en sólo tres noches desde su posición en la cresta de Cerro Pachón en el centro-norte de Chile. Durante su misión de 10 años, se espera que el LSST entregue más de 200 petabytes de datos. Como parte del LSST Dark Energy Science Collaboration, Nugent y Goldstein esperan que puedan procesar parte de estos datos a través de un nuevo conducto de detección de supernovas, basado en NERSC.
Durante más de una década, la línea de detección de transitorios en tiempo real de Nugent que opera en NERSC ha utilizado algoritmos de aprendizaje automático para examinar las observaciones recopiladas por la Fábrica de Transitorios de Palomar (PTF) y luego la Fábrica Intermedia de Transitorios de Palomar (iPTF), buscando todas las noches “, objetos transitorios que cambian en brillo o posición al comparar las nuevas observaciones con todos los datos recopilados de noches anteriores. Pocos minutos después de descubrir un evento interesante, las máquinas de NERSC disparan telescopios alrededor del mundo para recopilar observaciones de seguimiento. De hecho, fue esta tubería la que reveló la primera supernova de tipo Ia con lente fuerte a principios de este año.
“Lo que esperamos hacer con el LSST es similar a lo que hicimos con Palomar, pero multiplicado por 100”, dice Nugent. “Va a haber una avalancha de información del LSST todas las noches . Queremos tomar esa información y preguntarnos qué sabemos sobre esta parte del cielo, qué ha sucedido allí antes y esto es algo que nos interesa para la Cosmología “.
Él agrega que una vez que los investigadores identifican la primera luz de un evento de supernova con lente intensa, el modelado computacional también podría usarse para predecir con precisión cuándo aparecerá la siguiente luz. Los astrónomos pueden usar esta información para activar los telescopios terrestres y espaciales para seguir y captar esta luz, esencialmente permitiéndoles observar una supernova segundos después de que explota.
“Llegué al Berkeley Lab hace 21 años para trabajar en el modelado de transferencia radiativa de supernova y ahora, por primera vez, hemos utilizado estos modelos teóricos para demostrar que podemos mejorar la Cosmología”, dice Nugent. “Es emocionante ver al DOE cosechar los beneficios de las inversiones en cosmología computacional que comenzaron a hacer hace décadas”.
NERSC es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias de DOE.
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley aborda los desafíos científicos más urgentes del mundo mediante el avance de la energía sostenible, la protección de la salud humana, la creación de nuevos materiales y la revelación del origen y el destino del universo. Fundada en 1931, la experiencia científica de Berkeley Lab ha sido reconocida con 13 Premios Nobel. La Universidad de California administra Berkeley Lab para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Para obtener más información, visite www.lbl.gov .
La Oficina de Ciencia del DOE es el principal defensor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov .
Fuente del artículo: Berkeley Lab.
Material relacionado:
Sobre las Lentes Gravitacionales:
Una selección de recursos del tema desde su orígen, desarrollo y aplicaciones se encuentra en el apartado “Material relacionado” del artículo:
Sobre las Supernovas en general:
Una selección de recursos (artículos, libros, proyectos de búsqueda en curso, catálogos , podcasts, hangouts, videos etc.) sobre supernovas cubriendo todos los aspectos del tema se encuentra enel apartado ” Material relacionado” de los artículos:
Sobre las Supernovas Tipo Ia y la Expansión del Universo:
¿Las supernovas Tipo Ia, son realmente candelas estandard?:
Sobre Computación, Astronomía y Educación:
Un relato presentando al Dr. Adam Riess, uno de los tres galardonados con el Premio Nobel de Física 2011 por el descubrimiento de la Expansión Acelerada del Universo,en el reciente Encuentro de la Sociedad Americana de Astronomía celebrado en Enero pasado (2018) en Washington DC,pone en relieve la importancia de la computación en la educación en Astronomía:
Algunas revistas sobre el tema Astronomía, Astrofísica y Computación:
Videos:
Documentales:
-
-
-
-
-
Expansión Acelerada – Documental producida por el Instituto de Comunicación e Imagen de la Universidad de Chile. ICEI. Publicada por Astrovlog el 15 de Marzo de 2017.
Charlas y Conferencias Públicas:
Asociación de Aficionados a la Astronomía
