Una mostra de més de 3600 supernoves de tipus Ia podria canviar la manera de mesurar la història de l’expansió de l’univers

Avui es publica el conjunt més complet i avançat de dades de supernoves de tipus Ia. Es tracta del 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. Aquestes supernoves són explosions d’estels nans blancs al final de les seves vides. Aproximadament dues setmanes després, cada explosió individual assoleix una lluminositat màxima de 10 milions d’estrelles similars al Sol, amb una notable consistència entre diferents explosions. Aquests objectes es coneixen com ‘candeles estàndard’ en astrofísica. El conjunt de dades es publica juntament amb un número especial de 21 articles a la revista Astronomy and Astrophysics.

L’equip científic, que compta amb la participació d’investigadors de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a 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.

Aquest treball obre una era d’alta precisió en la cosmologia de supernoves. 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.

«Durant els últims cinc anys, un grup de trenta experts de tot el món ha recopilat, compilat, reunit i analitzat aquestes dades. Ara les 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 han après a fer servir aquestes complexes candeles estàndard per estudiar les distàncies en l’univers comparant els seus fluxos, ja que els objectes més llunyans apareixen més tènues. L’acceleració de l’expansió de l’univers, el descobriment de la qual va merèixer el premi Nobel el 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 investigat 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. L’escàs coneixement de la física exacta responsable dels fenòmens astrofísics de les supernoves de tipus Ia també afecta a la 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, i ens acostarà a la comprensió de la veritable naturalesa de l’energia fosca que impulsa l’expansió accelerada de l’univers», explica Lluís Galbany, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC, i membre del grup de Cosmologia del ZTF. Els investigadors predoctorals Kim Phan (IEEC, ICE-CSIC) i Alaa Alburai (ICE-CSIC) també participen en aquest projecte.

Un instrument únic per a un conjunt de dades revolucionari

La càmera ZTF, instal·lada en el telescopi Samuel Oschin de l’Observatori Palomar (Estats Units), 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 al 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 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 del 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 estaven limitades per la mida reduïda de les mostres.

«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», conclou Mickael Rigault.

Nota de premsa realitzada en col·laboració amb l’Institut de Ciències de l’Espai.