Les supernoves de tipus Ia han exercit un paper fonamental en l’estudi de l’energia fosca, encara que la seva naturalesa exacta continua sent un misteri. La col·laboració en la qual participa l’ICE-CSIC publica avui un conjunt de dades de 3628 supernoves de tipus Ia, juntament amb la publicació d’un número especial en Astronomy and Astrophysics compost per 21 articles.
Les supernoves de tipus Ia són explosions d’estrelles nanes blanques al final de les seves vides. Aproximadament dues setmanes després, cada esdeveniment individual aconsegueix una lluminositat màxima de 10 milions d’estrelles similars al Sol, amb una notable consistència entre diferents esdeveniments. Aquests objectes es coneixen com a “candeles estàndard” en astrofísica. Avui es publica el cartografiat Zwicky Transient Facility (ZTF) que recull una mostra de 3628 supernoves de tipus Ia recopilades per un sol instrument entre març de 2018 i desembre de 2020. El conjunt de dades es publica juntament amb un número especial de 21 articles en la revista Astronomy and Astrophysics.
Aquest treball obre una era d’alta precisió en la cosmologia de supernoves. L’equip, en el qual participa l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), ha descobert un nou efecte que podria canviar la forma en què es mesura la història de l’expansió de l’univers i que pot tenir conseqüències importants per a la desviació actual observada en el model estàndard de cosmologia. Un dels resultats clau dels estudis publicats és que les supernoves de tipus Ia varien intrínsecament en funció del seu entorn, més de l’esperat fins ara, i el mecanisme de correcció assumit fins al dia d’avui ha de revisar-se. L’ICE-CSIC participa a través d’alguns membres del grup de recerca de supernoves: Lluís Galbany, investigador de l’ICE-CSIC i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), i els investigadors predoctorals de l’ICE-CSIC Kim Phan i Alaa Alburai.
“Durant els últims cinc anys, un grup de trenta experts de tot el món ha recopilat, compilat, reunit i analitzat aquestes dades. Ara els estem posant a la disposició de tota la comunitat. Aquesta mostra és tan única en termes de grandària i homogeneïtat que esperem que tingui un impacte significatiu en el camp de la cosmologia de supernoves i que condueixi a molts nous descobriments addicionals, a més dels resultats que ja hem publicat”, afirma Mickael Rigault, investigador de l’Institut des deux Infinis de Lyon (CNRS / Universitat Claude Bernard) i líder del grup de treball de Ciència Cosmològica del ZTF.
Els cosmòlegs i cosmòlogues han après a utilitzar les anomenades complexes candeles estàndard per estudiar les distàncies en l’univers comparant els seus fluxos, a mesura que els objectes més llunyans apareixen més tènues. L’acceleració de l’expansió de l’univers, el descobriment del qual va ser guardonat amb el premi Nobel en 2011, es va detectar per primera vegada a la fi dels anys noranta utilitzant al voltant de 100 d’aquestes supernoves. Des de llavors, en cosmologia s’ha estat investigant la raó d’aquesta acceleració causada per l’energia fosca, que actua com a força antigravitatòria en tot l’univers.
Els conjunts de dades de supernoves de tipus Ia més recents recopilen al voltant de 2000 objectes detectats amb molts telescopis diferents durant les últimes dues dècades. Les anàlisis d’aquestes mostres suggereixen que l’energia fosca pot ser més complicada que una simple constant matemàtica en l’equació d’Einstein, com se suposava des del seu primer descobriment. El nostre escàs coneixement de la física exacta responsable dels fenòmens astrofísics de les supernoves de tipus Ia també afecta a la nostra capacitat per derivar distàncies precises amb la finalitat d’investigar la física fonamental de l’univers.
“La uniformitat d’aquest conjunt de dades estableix un nou estàndard per a les observacions de supernoves pròximes, superant a totes les recopilades en les últimes dècades. Servirà com a referència per a futurs estudis de supernoves d’alt desplaçament cap al roig, inclosos els de projectes de nova generació com el Legacy Survey of Space and Time (LSST) i el Roman Space Telescope, acostant-nos a la comprensió de la veritable naturalesa de l’energia fosca que impulsa l’expansió accelerada de l’univers”, conclou Lluís Galbany, investigador de l’ICE-CSIC i del IEEC, i membre del grup de Cosmologia del ZTF.
Un instrument únic per a un revolucionari conjunt de dades
La càmera ZTF, instal·lada en el telescopi Samuel Oschin de l’Observatori Palomar (els Estats Units d’Amèrica), escaneja diàriament tot el cel de l’hemisferi nord en tres bandes òptiques gràcies a la seva càmera de 47 graus quadrats i la capacitat d’obtenir captures ràpides de 30 segons. En aquest breu temps, la càmera ZTF aconsegueix una profunditat de magnitud 20,5; és a dir, un milió de vegades més feble que les estrelles més tènues visibles a simple vista. Aquesta sensibilitat permet a ZTF detectar gairebé totes les supernoves en un radi de 1.500 milions d’anys llum de la Terra. Aquesta és la primera vegada que els astrofísics i astrofísiques tenen accés a un conjunt de dades tan ampli i homogeni. Les supernoves de tipus Ia són poc freqüents, ja que ocorren aproximadament una vegada cada mil anys en una galàxia típica, però la profunditat i l’estratègia de cartografiat de ZTF permet detectar gairebé quatre per nit.
Les mostres de supernoves anteriors que cobrien aquest rang de distància contenien menys de 200 esdeveniments. El conjunt de dades publicat augmenta aquest número en un ordre de magnitud, la qual cosa permet dur a terme anàlisis molt més precises, estudiar esdeveniments excepcionals, comparar similituds i diferències entre molts subgrups, etc. Aquest avanç permet abordar qüestions fonamentals que abans es veien obstaculitzades per grandàries de mostra limitada. “Aquest llançament proporciona un conjunt de dades que canvia les regles del joc per a la cosmologia de supernoves”, diu Mathew Smith, colíder del llançament actual del conjunt de dades i professor d’astrofísica en la Universitat de Lancaster. “Obre la porta a nous descobriments tant sobre l’expansió de l’univers com sobre la física fonamental de supernoves”, afegeix.
“Estem oferint a la comunitat milers de corbes de llum de supernoves de tipus Ia mostrejades en densitat i ben calibrades, espectres, propietats de la seva [galàxia] amfitriona i registres d’observació. Aquests recursos permetran als investigadors/es perfeccionar els models i desenvolupar noves tècniques per millorar la precisió i exactitud de les distàncies derivades de les observacions de supernoves Ia”, resumeix Jakob Nordin, líder del Grup de Cosmologia del ZTF de Berlín.
Energia fosca i supernoves
Durant dècades, les supernoves de tipus Ia han exercit un paper fonamental en el descobriment i l’estudi de l’energia fosca: la misteriosa força responsable de l’expansió accelerada de l’univers. Per a això, els astrònoms/as comparen el desplaçament cap al roig, és a dir, l’estirament de la longitud d’ona dels fotons causat per l’expansió de l’univers, i la lluentor de la supernova, que indica la distància de la font de llum i, per tant, el temps que triguen els fotons a arribar fins a nosaltres. Juntes, aquestes magnituds ens permeten investigar la història de l’expansió de l’univers i, en conseqüència, la física fonamental responsable d’aquesta.
No obstant això, la naturalesa exacta de les supernoves de tipus Ia continua sent desconeguda. Sabem, a partir de l’estudi dels espectres i la taxa d’evolució de la lluentor amb el temps, és a dir, les corbes de llum, que aquest fenomen sorgeix de l’explosió termonuclear d’una nana blanca de carboni/oxigen, molt probablement d’un sistema binari (o amb més estrelles). Però no és clar per què va explotar aquesta nana blanca ni com la seva composició o la de la seva estrella companya va influir en el mecanisme d’explosió. Fins i tot podria haver-hi múltiples canals que condueixin a esdeveniments similars. D’aquí la pregunta per a la cosmologia: Fins a quin punt són precises els mesuraments de distància derivats de les corbes de llum de les supernoves de tipus Ia malgrat el nostre limitat coneixement sobre el qual realment són aquests objectes?
Aquesta pregunta ha estat el focus de la publicació actual del cartografiat ZTF: “Amb aquest conjunt de dades ampli i homogeni, podem explorar les supernoves de tipus Ia amb un nivell de precisió i exactitud sense precedents”, comenta Mickael Rigault. “Aquest és un pas crucial per perfeccionar l’ús de les supernoves de tipus Ia en cosmologia i avaluar si les desviacions actuals en cosmologia es deuen a una nova física fonamental o a un problema desconegut en la forma en què derivem les distàncies”, afegeix.
Mesurant distàncies amb candeles estàndard complexes
L’equip va estudiar la diversitat d’esdeveniments de supernoves de tipus Ia, revelant subpoblacions i objectes extrems per a investigar l’homogeneïtat de la mostra central. Això va conduir a definir quines supernoves haurien d’utilitzar-se per al seu estudi en cosmologia.
L’equip va explorar com les supernoves de tipus Ia varien en funció del seu entorn, ja estiguin formades per estrelles joves o velles, tinguin molta pols interestel·lar o no tinguin gas. Això ens informa sobre l’origen de les variabilitats observades: si estan relacionades amb el material del sistema progenitor o no, la velocitat d’evolució des de la formació de l’estrella progenitora fins a l’explosió d’una nana blanca resultant en una supernova i si les variacions observades estan relacionades més directament amb la influència de la línia de visió dels materials de la galàxia amfitriona, com la pols interestel·lar, o no. En fer-ho, l’equip s’ocupa de corregir les variabilitats observades per a obtenir distàncies precises i comprendre millor la naturalesa de les supernoves.
Un altre dels objectius de l’estudi va ser estudiar els punts de les corbes de llum i espectres primerencs i tardans detectats exclusivament amb ZTF per investigar directament la física del sistema progenitor. “Gràcies a la capacitat única de ZTF de cartografiar el cel de manera ràpida i profunda, hem capturat múltiples supernoves en qüestió de dies (o fins i tot hores) després de la seva explosió, la qual cosa ens ha proporcionat noves limitacions sobre com acaben les seves vides”, destaca Kate Maguire, del Trinity College de Dublín (Irlanda), coautora de l’estudi.
El coautor Ariel Goobar, director del Centre Oskar Klein a Estocolm (Suècia), una de les institucions fundadores de ZTF, i també membre de l’equip que va descobrir l’expansió accelerada de l’univers en 1998, afirma: “En última instància, l’objectiu és abordar una de les preguntes més importants del nostre temps en física fonamental i cosmologia, a saber: De què està feta la major part de l’univers? Per això necessitem les dades de supernoves del [cartografiat] ZTF”.
Més informació
Publicació del conjunt de dades de supernoves de tipus Ia: pàgina web del cartografiat ZTF SN Ia DR2
Telescopi Samuel Oschin. Crèdits: Observatori Palomar / Institut Tecnològic de Califòrnia.