El descubrimiento de la energía oscura, una fuerza misteriosa que está acelerando la expansión del universo, se basó en observaciones de supernovas de tipo 1a, y estas explosiones estelares se han utilizado durante mucho tiempo como "velas estándar" para medir la expansión. Un nuevo estudio revela fuentes de variabilidad en estas supernovas, y para sondear con precisión la naturaleza de la energía oscura y determinar si es constante o variable a lo largo del tiempo, los científicos tendrán que encontrar una manera de medir distancias cósmicas con mucha mayor precisión de la que tienen en el pasado.
"A medida que comencemos la próxima generación de experimentos de cosmología, querremos usar supernovas tipo 1a como medidas muy sensibles de la distancia", dijo el autor principal Daniel Kasen, de un estudio publicado en Nature esta semana. “Sabemos que no todos tienen el mismo brillo, y tenemos formas de corregir eso, pero necesitamos saber si hay diferencias sistemáticas que sesguen las mediciones de distancia. Así que este estudio exploró qué causa esas diferencias en brillo ".
Kasen y sus coautores, Fritz Röpke, del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania, y Stan Woosley, profesor de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz, utilizaron supercomputadoras para ejecutar docenas de simulaciones de supernovas tipo 1a. Los resultados indican que gran parte de la diversidad observada en estas supernovas se debe a la naturaleza caótica de los procesos involucrados y la asimetría resultante de las explosiones.
En su mayor parte, esta variabilidad no produciría errores sistemáticos en los estudios de medición, siempre y cuando los investigadores utilicen grandes cantidades de observaciones y apliquen las correcciones estándar, dijo Kasen. El estudio encontró un efecto pequeño pero potencialmente preocupante que podría resultar de diferencias sistemáticas en las composiciones químicas de las estrellas en diferentes momentos de la historia del universo. Pero los investigadores pueden usar los modelos de computadora para caracterizar aún más este efecto y desarrollar correcciones para él.
Una supernova de tipo 1a ocurre cuando una estrella enana blanca adquiere masa adicional al extraer materia de una estrella compañera. Cuando alcanza una masa crítica, 1.4 veces la masa del Sol, empaquetada en un objeto del tamaño de la Tierra, el calor y la presión en el centro de la estrella provocan una reacción de fusión nuclear desbocada, y la enana blanca explota. Dado que las condiciones iniciales son casi iguales en todos los casos, estas supernovas tienden a tener la misma luminosidad, y sus "curvas de luz" (cómo cambia la luminosidad con el tiempo) son predecibles.
Algunos son intrínsecamente más brillantes que otros, pero estos se encienden y se desvanecen más lentamente, y esta correlación entre el brillo y el ancho de la curva de luz permite a los astrónomos aplicar una corrección para estandarizar sus observaciones. Por lo tanto, los astrónomos pueden medir la curva de luz de una supernova de tipo 1a, calcular su brillo intrínseco y luego determinar qué tan lejos está, ya que el brillo aparente disminuye con la distancia (al igual que una vela parece más tenue a una distancia de lo que parece de cerca) .
Los modelos de computadora utilizados para simular estas supernovas en el nuevo estudio se basan en la comprensión teórica actual de cómo y dónde comienza el proceso de ignición dentro de la enana blanca y dónde hace la transición de la combustión de combustión lenta a la detonación explosiva.
Las simulaciones mostraron que la asimetría de las explosiones es un factor clave que determina el brillo de las supernovas de tipo 1a. "La razón por la cual estas supernovas no tienen el mismo brillo está estrechamente relacionada con esta ruptura de la simetría esférica", dijo Kasen.
La fuente dominante de variabilidad es la síntesis de nuevos elementos durante las explosiones, que es sensible a las diferencias en la geometría de las primeras chispas que encienden un fugitivo termonuclear en el núcleo hirviendo de la enana blanca. El níquel-56 es especialmente importante, porque la desintegración radiactiva de este isótopo inestable crea el resplandor que los astrónomos pueden observar durante meses o incluso años después de la explosión.
“La descomposición del níquel-56 es lo que impulsa la curva de luz. La explosión termina en cuestión de segundos, por lo que lo que vemos es el resultado de cómo el níquel calienta los escombros y cómo los escombros irradian luz ", dijo Kasen.
Kasen desarrolló el código de la computadora para simular este proceso de transferencia radiativa, utilizando la salida de las explosiones simuladas para producir visualizaciones que se pueden comparar directamente con observaciones astronómicas de supernovas.
La buena noticia es que la variabilidad observada en los modelos de computadora concuerda con las observaciones de las supernovas de tipo 1a. “Lo más importante, el ancho y la luminosidad máxima de la curva de luz están correlacionados de una manera que concuerda con lo que los observadores han encontrado. Entonces, los modelos son consistentes con las observaciones en las que se basó el descubrimiento de la energía oscura ”, dijo Woosley.
Otra fuente de variabilidad es que estas explosiones asimétricas se ven diferentes cuando se ven desde diferentes ángulos. Esto puede explicar diferencias en el brillo de hasta un 20 por ciento, dijo Kasen, pero el efecto es aleatorio y crea dispersión en las mediciones que pueden reducirse estadísticamente al observar grandes cantidades de supernovas.
El potencial de sesgo sistemático proviene principalmente de la variación en la composición química inicial de la estrella enana blanca. Los elementos más pesados se sintetizan durante las explosiones de supernovas, y los escombros de esas explosiones se incorporan a nuevas estrellas. Como resultado, es probable que las estrellas formadas recientemente contengan elementos más pesados (mayor "metalicidad", en la terminología de los astrónomos) que las estrellas formadas en el pasado distante.
"Ese es el tipo de cosas que esperamos que evolucionen con el tiempo, por lo que si miras las estrellas distantes correspondientes a épocas mucho más tempranas en la historia del universo, tenderían a tener menor metalicidad", dijo Kasen. "Cuando calculamos el efecto de esto en nuestros modelos, descubrimos que los errores resultantes en las mediciones de distancia serían del orden del 2 por ciento o menos".
Otros estudios que usen simulaciones por computadora permitirán a los investigadores caracterizar los efectos de tales variaciones con más detalle y limitar su impacto en futuros experimentos de energía oscura, lo que podría requerir un nivel de precisión que haría que los errores del 2 por ciento sean inaceptables.
Fuente: EurekAlert
