Una muestra de más de 3600 supernovas de tipo Ia podría cambiar la forma de medir la historia de la expansión del universo

Hoy se publica el conjunto más completo y avanzado de datos de supernovas de tipo Ia. Se trata del 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. Estas supernovas son explosiones de estrellas enanas blancas al final de sus vidas. Aproximadamente dos semanas después, cada explosión individual alcanza una luminosidad máxima de 10 millones de estrellas similares al Sol, con una notable consistencia entre diferentes explosiones. Estos objetos se conocen como ‘candelas estándar’ en astrofísica. El conjunto de datos se publica junto con un número especial de 21 artículos en la revista  Astronomy and Astrophysics.

El equipo científico, que cuenta con la participación de investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en 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.

Este trabajo abre una era de alta precisión en la cosmología de supernovas. 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. 

«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 han aprendido a utilizar estas complejas candelas estándar para estudiar las distancias en el universo comparando sus flujos, ya 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. El escaso conocimiento de la física exacta responsable de los fenómenos astrofísicos de las supernovas de tipo Ia también afecta a la 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», explica Lluís Galbany, investigador del IEEC en el ICE-CSIC, y miembro del grupo de Cosmología del ZTF. Los investigadores predoctorales Kim Phan (IEEC, ICE-CSIC) y Alaa Alburai (ICE-CSIC) también participan en este proyecto.

Un instrumento único para un conjunto de datos revolucionario

La cámara ZTF, instalada en el telescopio Samuel Oschin del Observatorio Palomar (Estados Unidos), 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 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», concluye Mickael Rigault.

Nota de prensa realizada en colaboración con el Instituto de Ciencias del Espacio.

Sobre el IEEC

El Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promueve y coordina la investigación y el desarrollo tecnológico espacial en Cataluña en beneficio de la sociedad. El IEEC fomenta las colaboraciones tanto a nivel local como mundial, y es un eficiente agente de transferencia de conocimiento, innovación y tecnología. Como resultado de más de 25 años de investigación de alta calidad, llevada a cabo en colaboración con las principales organizaciones internacionales, el IEEC se encuentra entre los mejores centros de investigación internacionales, centrados en áreas como: astrofísica, cosmología, ciencias planetarias y observación de la Tierra. La división de ingeniería del IEEC desarrolla instrumentación para proyectos terrestres y espaciales, y tiene una amplia experiencia trabajando con organizaciones privadas y públicas del sector aeroespacial y otros sectores de innovación.

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