Las supernovas de tipo Ia han desempeñado un papel fundamental en el estudio de la energía oscura, aunque su naturaleza exacta sigue siendo un misterio. La colaboración en la que participa el ICE-CSIC publica hoy un conjunto de datos de 3628 supernovas de tipo Ia, junto con la publicación de un número especial en Astronomy and Astrophysics compuesto por 21 artículos.
Las supernovas de tipo Ia son explosiones de estrellas enanas blancas al final de sus vidas. Aproximadamente dos semanas después, cada evento individual alcanza una luminosidad máxima de 10 millones de estrellas similares al Sol, con una notable consistencia entre diferentes eventos. Estos objetos se conocen como «candelas estándar» en astrofísica. Hoy se publica el cartografiado Zwicky Transient Facility (ZTF) que recoge una muestra de 3628 supernovas de tipo Ia recopiladas por un solo instrumento entre marzo de 2018 y diciembre de 2020. El conjunto de datos se publica junto con un número especial de 21 artículos en la revista Astronomy and Astrophysics.
Este trabajo abre una era de alta precisión en la cosmología de supernovas. El equipo, en el que participa el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), ha descubierto un nuevo efecto que podría cambiar la forma en que se mide la historia de la expansión del universo y que puede tener consecuencias importantes para la desviación actual observada en el modelo estándar de cosmología. Uno de los resultados clave de los estudios publicados es que las supernovas de tipo Ia varían intrínsecamente en función de su entorno, más de lo esperado hasta ahora, y el mecanismo de corrección asumido hasta ahora debe revisarse. El ICE-CSIC participa a través de algunos miembros del grupo de investigación de supernovas: Lluís Galbany, investigador del ICE-CSIC y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), y los investigadores predoctorales del ICE-CSIC Kim Phan y Alaa Alburai.
“Durante los últimos cinco años, un grupo de treinta expertos de todo el mundo ha recopilado, compilado, reunido y analizado estos datos. Ahora los estamos poniendo a disposición de toda la comunidad. Esta muestra es tan única en términos de tamaño y homogeneidad que esperamos que tenga un impacto significativo en el campo de la cosmología de supernovas y que conduzca a muchos nuevos descubrimientos adicionales, además de los resultados que ya hemos publicado”, afirma Mickael Rigault, investigador del Institut des deux Infinis de Lyon (CNRS / Universidad Claude Bernard) y líder del grupo de trabajo de Ciencia Cosmológica del ZTF.
Los cosmólogos y cosmólogas han aprendido a utilizar las llamadas complejas candelas estándar para estudiar las distancias en el universo comparando sus flujos, a medida que los objetos más lejanos aparecen más tenues. La aceleración de la expansión del universo, cuyo descubrimiento fue galardonado con el premio Nobel en 2011, se detectó por primera vez a finales de los años 90 utilizando alrededor de 100 de estas supernovas. Desde entonces, en cosmología se ha estado investigando la razón de esta aceleración causada por la energía oscura, que actúa como fuerza antigravitatoria en todo el universo.
Los conjuntos de datos de supernovas de tipo Ia más recientes recopilan alrededor de 2000 objetos detectados con muchos telescopios diferentes durante las últimas dos décadas. Los análisis de estas muestras sugieren que la energía oscura puede ser más complicada que una simple constante matemática en la ecuación de Einstein, como se suponía desde su primer descubrimiento. Nuestro escaso conocimiento de la física exacta responsable de los fenómenos astrofísicos de las supernovas de tipo Ia también afecta a nuestra capacidad para derivar distancias precisas con el fin de investigar la física fundamental del universo.
«La uniformidad de este conjunto de datos establece un nuevo estándar para las observaciones de supernovas cercanas, superando a todas las recopiladas en las últimas décadas. Servirá como referencia para futuros estudios de supernovas de alto corrimiento al rojo, incluidos los de proyectos de nueva generación como el Legacy Survey of Space and Time (LSST) y el Roman Space Telescope, acercándonos a la comprensión de la verdadera naturaleza de la energía oscura que impulsa la expansión acelerada del universo», concluye Lluís Galbany, investigador del ICE-CSIC y del IEEC, y miembro del grupo de Cosmología del ZTF.
Un instrumento único para un revolucionario conjunto de datos
La cámara ZTF, instalada en el telescopio Samuel Oschin del Observatorio Palomar (Estados Unidos de América), escanea diariamente todo el cielo del hemisferio norte en tres bandas ópticas gracias a su cámara de 47 grados cuadrados y la capacidad de obtener capturas rápidas de 30 segundos. En ese breve tiempo, la cámara ZTF alcanza una profundidad de magnitud 20,5, es decir, un millón de veces más débil que las estrellas más tenues visibles a simple vista. Esta sensibilidad permite a ZTF detectar casi todas las supernovas en un radio de 1.500 millones de años luz de la Tierra. Esta es la primera vez que los astrofísicos y astrofísicas tienen acceso a un conjunto de datos tan amplio y homogéneo. Las supernovas de tipo Ia son poco frecuentes, ya que ocurren aproximadamente una vez cada mil años en una galaxia típica, pero la profundidad y la estrategia de cartografiado de ZTF permite detectar casi cuatro por noche.
Las muestras de supernovas anteriores que cubrían este rango de distancia contenían menos de 200 eventos. El conjunto de datos publicado aumenta este número en un orden de magnitud, lo que permite realizar análisis mucho más precisos, estudiar eventos excepcionales, comparar similitudes y diferencias entre muchos subgrupos, etc. Este avance permite abordar cuestiones fundamentales que antes se veían obstaculizadas por tamaños de muestra limitados. «Este lanzamiento proporciona un conjunto de datos que cambia las reglas del juego para la cosmología de supernovas», dice Mathew Smith, colíder del lanzamiento actual del conjunto de datos y profesor de astrofísica en la Universidad de Lancaster. «Abre la puerta a nuevos descubrimientos tanto sobre la expansión del universo como sobre la física fundamental de supernovas», añade.
“Estamos ofreciendo a la comunidad miles de curvas de luz de supernovas de tipo Ia muestreadas en densidad y bien calibradas, espectros, propiedades de su [galaxia] anfitriona y registros de observación. Estos recursos permitirán a los investigadores/as perfeccionar los modelos y desarrollar nuevas técnicas para mejorar la precisión y exactitud de las distancias derivadas de las observaciones de supernovas Ia”, resume Jakob Nordin, líder del Grupo de Cosmología del ZTF de Berlín.
Energía oscura y supernovas
Durante décadas, las supernovas de tipo Ia han desempeñado un papel fundamental en el descubrimiento y el estudio de la energía oscura: la misteriosa fuerza responsable de la expansión acelerada del universo. Para ello, los astrónomos/as comparan el corrimiento al rojo, es decir, el estiramiento de la longitud de onda de los fotones causado por la expansión del universo, y el brillo de la supernova, que indica la distancia de la fuente de luz y, por lo tanto, el tiempo que tardan los fotones en llegar hasta nosotros. Juntas, estas magnitudes nos permiten investigar la historia de la expansión del universo y, en consecuencia, la física fundamental responsable de la misma.
Sin embargo, la naturaleza exacta de las supernovas de tipo Ia sigue siendo desconocida. Sabemos, a partir del estudio de los espectros y la tasa de evolución del brillo con el tiempo, es decir, las curvas de luz, que este fenómeno surge de la explosión termonuclear de una enana blanca de carbono/oxígeno, muy probablemente de un sistema binario (o con más estrellas). Pero no está claro por qué explotó esta enana blanca ni cómo su composición o la de su estrella compañera influyó en el mecanismo de explosión. Incluso podría haber múltiples canales que conduzcan a eventos similares. De ahí la pregunta para la cosmología: ¿Hasta qué punto son precisas las mediciones de distancia derivadas de las curvas de luz de las supernovas de tipo Ia a pesar de nuestro limitado conocimiento sobre lo que realmente son estos objetos?
Esta pregunta ha sido el foco de la publicación actual del cartografiado ZTF: “Con este conjunto de datos amplio y homogéneo, podemos explorar las supernovas de tipo Ia con un nivel de precisión y exactitud sin precedentes”, comenta Mickael Rigault. “Este es un paso crucial para perfeccionar el uso de las supernovas de tipo Ia en cosmología y evaluar si las desviaciones actuales en cosmología se deben a una nueva física fundamental o a un problema desconocido en la forma en que derivamos las distancias”, añade.
Midiendo distancias con candelas estándar complejas
El equipo estudió la diversidad de eventos de supernovas de tipo Ia, desvelando subpoblaciones y objetos extremos para investigar la homogeneidad de la muestra central. Esto condujo a definir qué supernovas deberían utilizarse para su estudio en cosmología.
El equipo exploró cómo las supernovas de tipo Ia varían en función de su entorno, ya estén formadas por estrellas jóvenes o viejas, tengan mucho polvo interestelar o no tengan gas. Esto nos informa sobre el origen de las variabilidades observadas: si están relacionadas con el material del sistema progenitor o no, la velocidad de evolución desde la formación de la estrella progenitora hasta la explosión de una enana blanca resultante en una supernova y si las variaciones observadas están relacionadas más directamente con la influencia de la línea de visión de los materiales de la galaxia anfitriona, como el polvo interestelar, o no. Al hacerlo, el equipo se ocupa de corregir las variabilidades observadas para obtener distancias precisas y comprender mejor la naturaleza de las supernovas.
Otro de los objetivos del estudio fue estudiar los puntos de las curvas de luz y espectros tempranos y tardíos detectados exclusivamente con ZTF para investigar directamente la física del sistema progenitor. “Gracias a la capacidad única de ZTF de cartografiar el cielo de forma rápida y profunda, hemos capturado múltiples supernovas en cuestión de días (o incluso horas) tras su explosión, lo que nos ha proporcionado nuevas limitaciones sobre cómo terminan sus vidas”, destaca Kate Maguire, del Trinity College de Dublín (Irlanda), coautora del estudio.
El coautor Ariel Goobar, director del Centro Oskar Klein en Estocolmo (Suecia), una de las instituciones fundadoras de ZTF, y también miembro del equipo que descubrió la expansión acelerada del universo en 1998, afirma: “En última instancia, el objetivo es abordar una de las preguntas más importantes de nuestro tiempo en física fundamental y cosmología, a saber: ¿De qué está hecha la mayor parte del universo? Para eso necesitamos los datos de supernovas del [cartografiado] ZTF”.
Más información
Publicación del conjunto de datos de supenovas de tipo Ia: página web del cartografiado ZTF SN Ia DR2
Telescopio Samuel Oschin. Créditos: Observatorio Palomar / Instituto Tecnológico de California.
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