Utilizando el telescopio espacial James Webb, los astrónomos han capturado una imagen impresionante de una supernova distante en una galaxia que parece estar siendo estirada como un caramelo caliente.
Sin embargo, la mancha dorada que oculta esta lente gravitacional supernovaque ha sido apodada «supernova Hope», no sólo destaca por su valor estético. La supernova, que explotó cuando el universo de 13.800 millones de años tenía apenas unos 3.500 millones de años, nos dice algo sobre un enorme problema en cosmología llamado «Tensión del Hubble«.
La tensión del Hubble surge del hecho de que los científicos no pueden ponerse de acuerdo sobre la tasa exacta de expansión del universodictado por la constante de Hubble. Básicamente, la tasa se puede medir comenzando desde el universo local (y por lo tanto reciente) y luego retrocediendo en el tiempo, o se puede calcular comenzando desde el universo distante (y por lo tanto temprano) y luego avanzando hacia arriba. El problema es que ambos métodos generan valores que no concuerdan entre sí. Aquí es donde entra en juego el Telescopio Espacial James Web (JWST).
Supernovas con lentes gravitacionales en el cosmos temprano JWST lo que está observando podría proporcionar una tercera forma de medir la velocidad, ayudando potencialmente a resolver este «problema del Hubble».
«La supernova fue nombrada 'supernova Esperanza' porque da a los astrónomos la esperanza de comprender mejor la cambiante tasa de expansión del universo», dijo en un comunicado de la NASA Brenda Frye, líder del equipo de estudio e investigadora de la Universidad de Arizona. declaración.
Esta investigación de la supernova Hope comenzó cuando Frye y su equipo global de científicos encontraron tres curiosos puntos de luz en una imagen JWST de una región distante y densamente poblada. cúmulo de galaxias. Esos puntos de luz en la imagen no eran visibles cuando el Telescopio espacial Hubble Tomó una imagen del mismo grupo, conocido como PLCK G165.7+67.0 o, más simplemente, G165, en 2015.
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«Todo comenzó con una pregunta del equipo: '¿Cuáles son esos tres puntos que no estaban allí antes? ¿Podría ser una supernova?'», dijo Frye. «Los análisis iniciales confirmaron que estos puntos correspondían a una estrella en explosión, con cualidades raras».
El espacio que rodea G165 fue seleccionado para el programa PEARLS porque está en medio de «estallido de estrellas,«un período de intensa formación estelar, en el que se generan 300 masas solares de estrellas por año. Tasas de formación estelar tan altas se correlacionan con mayores casos de explosiones de supernovas.
Supernova Hope es un tipo específico de supernova llamado Supernova tipo Ia. Estas supernovas ocurren en sistemas binarios que contienen una estrella de secuencia principal, como el Sol, y una estrella que ha agotado su combustible para la fusión nuclear y se ha convertido en una cáscara muerta, llamada enana blanca.
Si estos cuerpos estelares están lo suficientemente cerca, entonces la estrella muerta puede actuar como una vampiro cósmicoextrayendo plasma de la estrella viva o «donante». A medida que esto continúa, el material se acumula hasta desencadenar una explosión termonuclear, explosiones que vemos como supernovas de Tipo Ia. Debido a lo uniformes que son sus destellos de luz, estas supernovas son una excelente herramienta que los astrónomos pueden utilizar para medir distancias cósmicas. Por lo tanto, los astrónomos se refieren a las supernovas de Tipo Ia como «velas estándar«.
Una forma de obtener un valor para la constante de Hubble es observar las supernovas de Tipo Ia en el universo local para medir sus distancias entre nosotros y entre sí, y luego medir qué tan rápido se alejan. La otra técnica principal para medir la expansión del universo implica realizar observaciones del universo distante y luego calcular qué tan rápido se expande el cosmos mediante deducción.
Pero, nuevamente, estos métodos no concuerdan. Supernova Hope, sin embargo, podría actuar como puente entre las dos técnicas.
Einstein echa una mano
lentes gravitacionales es un efecto predicho en la teoría de la gravedad de la obra maestra de Albert Einstein, que fue creada en 1915 y se llama «relatividad general«.
La relatividad general sugiere que los objetos con masa provocan la deformación del espacio-tiempo, la unificación cuatridimensional del espacio y el tiempo, y la gravedad surge de esta curvatura. Cuanto mayor es la masa del objeto, más extrema es la deformación del espacio y, por tanto, mayor es la influencia gravitacional que tiene ese objeto. Esto es lo que hace que las lunas orbiten alrededor de planetas, los planetas orbiten estrellas y las estrellas orbiten agujeros negros supermasivos.
Esta deformación del espacio-tiempo tiene también otro efecto interesante. Cuando la luz pasa por un objeto con una fuerte influencia de deformación, un objeto que ahora llamaremos «lente gravitacional», la trayectoria de la luz se desvía alrededor de la deformación del objeto. El camino que sigue la luz depende de qué tan cerca se acerque a la lente gravitacional.
Eso significa que la luz del mismo objeto puede tomar caminos curvados en diferentes grados y con diferentes longitudes. Por tanto, esa luz puede llegar a telescopios como el JWST en diferentes momentos. Así es como un objeto de fondo con lente puede parecer «manchado» como un caramelo o aparecer en varios lugares en la misma imagen.
Eso es lo que le está sucediendo a la supernova Hope en esta imagen cuando su luz pasa por la lente gravitacional G165.
«Las lentes gravitacionales son importantes para este experimento. La lente, que consiste en un cúmulo de galaxias situado entre la supernova y nosotros, desvía la luz de la supernova en múltiples imágenes», dijo Frye. «Esto es similar a cómo un espejo de tocador triple presenta tres imágenes diferentes de una persona sentada frente a él».
El investigador de la Universidad de Arizona explicó que el efecto se demostró justo ante los ojos del equipo en la imagen G165 JWST, donde la imagen de la supernova del medio parecía invertida en relación con las otras dos imágenes.
«Para lograr tres imágenes, la luz viajó a lo largo de tres caminos diferentes. Dado que cada camino tenía una longitud diferente y la luz viajó a la misma velocidad, la supernova fue fotografiada en esta observación del JWST en tres momentos diferentes durante su explosión», continuó Frye. «En la analogía del espejo triple, se produjo un retraso en el tiempo en el que el espejo de la derecha mostraba a una persona levantando un peine, el espejo de la izquierda mostraba el cabello siendo peinado y el espejo del medio mostraba a la persona dejando el peine.
«Las imágenes de supernova triples son especiales. Los retrasos en el tiempo, la distancia de la supernova y las propiedades de las lentes gravitacionales dan un valor para la constante de Hubble».
El equipo dio seguimiento a la supernova Hope con el JWST, así como con algunos instrumentos terrestres, incluido el telescopio MMT de 6,5 metros en Monte Hopkins y el Telescopio binocular grande en Mount Graham, ambos ubicados en Arizona.
Esto llevó al equipo a confirmar que la supernova Hope está anclada a una galaxia de fondo muy por detrás del cúmulo de lentes G165. La luz de la explosión cósmica ha estado viajando a la Tierra durante 10,3 mil millones de años, lo que significa que esta enana blanca explotó solo 3,5 mil millones de años después. el Big Bang.
«Un miembro diferente del equipo hizo otra medición del retardo analizando la evolución de su luz dispersada en sus colores constituyentes o 'espectro' del JWST, confirmando la naturaleza Tipo Ia de la supernova Hope», dijo Frye. «Supernova Hope es una de las supernovas de tipo Ia más distantes observadas hasta la fecha».
A pesar de existir en el universo temprano, el valor de la constante de Hubble arrojado por las observaciones de la supernova Hope parece corresponderse con las mediciones de otras velas estándar en el universo local, por lo que no está de acuerdo con las mediciones de otros objetos en el universo temprano.
«Los resultados de nuestro equipo son impactantes», concluyó Frye. «El valor de la constante de Hubble coincide con otras mediciones en el universo local y está algo en tensión con los valores obtenidos cuando el universo era joven. Las observaciones del JWST en el Ciclo 3 mejorarán las incertidumbres, permitiendo restricciones más sensibles sobre la constante de Hubble».
La investigación del equipo está en proceso de ser revisada por pares antes de su publicación.