Astrófisicos creen que las supernovas tipo Ia con fuertes lentes encierran la respuesta a las discrepancias que muestran los modelos de expansión del universo.
En este sentido, han descrito cómo controlar la ‘microlente‘, un efecto físico que muchos científicos creen que sería una importante fuente de incertidumbre frente a las teorías de expansión cosmica.
En su artículo publicado en Astrrophysical Journal, los investigadores, del Berkeley Lab y la Universidad de Portsmouth, también muestran cómo identificar y estudiar estos eventos raros en tiempo real.
En 1929, Edwin Hubble sorprendió a muchos, 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».
En 2016, un equipo de investigación utilizó el Telescopio Espacial Hubble para realizar una medición extremadamente precisa de la tasa de expansión cósmica local. Los investigadores encontraron que el universo se estaba expandiendo un poco más rápido que Lambda-CDM y el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), la radiación reliquia del Big Bang, predijeron.
Entonces, parece que algo anda mal. ¿Podría esta discrepancia ser un error sistemático, o posiblemente una nueva física? «Desde que en 2016 el resultado del CMB (Fondo de Microondas Cósmico) confirmó el universo en aceleración y la existencia de materia oscura, los cosmólogos han intentado hacer mejores y mejores mediciones de los parámetros cosmológicos, reducir las barras de error», dice Peter Nugent, astrofísico de 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 para determinar si el desacuerdo actual es real o si es un error».
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.
NUEVO MARCADOR DE DISTANCIA
Pero el año pasado, un equipo internacional de investigadores encontró un marcador de distancia aún más confiable: la primera supernova de Tipo Ia con una fuerte lente.
Estos eventos ocurren cuando el campo gravitatorio de un objeto masivo, como una galaxia, se dobla y se vuelve a enfocar al pasar luz desde 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 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 de 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 medida se propuso por primera vez en la década de 1960, nunca se ha realizado porque solo se han descubierto dos supernovas con lentes fuertes, ninguna de las cuales era tratable para medir el tiempo de demora «, dice Danny Goldstein, estudiante graduado de UC Berkeley y autor principal del nuevo estudio.
Después de ejecutar una serie de simulaciones computacionalmente intensivas de luz de supernova en el Centro de Cálculo Científico Nacional de Investigación de Energía (NERSC), Goldstein y Nugent sospechan que podrán encontrar información sobre 1.000 de estas supernovas de Tipo Ia con fuerte lente en los datos recopilados por el próximo Telescopio de Levantamiento Sinóptico Grande (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 agujeros negros masivos en el centro de las galaxias), los colaboradores y yo medimos la tasa de expansión hasta un 3,8 por ciento de precisión. Obtuvimos un valor más alto que la medición de CMB, pero necesitamos más sistemas para estar realmente seguros que algo anda mal con el modelo estándar de la cosmología «, dice Thomas Collett, un astrofísico de la Universidad de Portsmouth y coautor del nuevo periódico Astrophysical Journal.
«Puede llevar años obtener una medición de retardo de tiempo con los cuásares, pero este trabajo muestra que podemos hacerlo por 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 fuertemente protegidas pueden ser sondas cosmológicas muy precisas.
«Cuando los cosmólogos intentan medir los retrasos en el tiempo, el problema que a menudo encuentran es que las estrellas individuales en la galaxia de lente 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.
