Os cosmologistas descobriram uma maneira de dobrar a precisão da medição de distâncias até explosões de supernovas, uma de suas ferramentas testadas e comprovadas para estudar a misteriosa energia escura que está fazendo o universo se expandir cada vez mais rápido. 

A figura superior esquerda mostra os espectros - brilho versus comprimento de onda - para duas supernovas. Uma está perto e a outra muito distante. Para medir a energia escura, os cientistas precisam medir a distância entre elas com muita precisão, mas como eles sabem se são iguais? A figura inferior direita compara os espectros - mostrando que elas são de fato "gêmeas". Isso significa que suas distâncias relativas podem ser medidas com uma precisão de 3 por cento. O ponto brilhante no centro superior é uma imagem do Telescópio Espacial Hubble da supernova 1994D (SN1994D) na galáxia NGC 4526. Crédito: Zosia Rostomian / Berkeley Lab; crédito da foto: NASA / ESA

Os resultados da colaboração da Fábrica de Supernova Próximas (SNfactory), liderada por Greg Aldering do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Laboratório de Berkeley), permitirá aos cientistas estudar a energia escura com precisão e exatidão bastante aprimoradas e fornecer uma verificação cruzada poderosa da técnica através de vastas distâncias e tempo. As descobertas também serão fundamentais para os próximos experimentos de cosmologia que usarão novos telescópios terrestres e espaciais para testar explicações alternativas da energia escura.

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Cientistas dão mais um passo para entender a energia escura

Dois artigos publicados no Astrophysical Journal relatam essas descobertas, com Kyle Boone como autor principal. Atualmente um pós-doutorado na Universidade de Washington, Boone é um ex-aluno de graduação do Prêmio Nobel Saul Perlmutter, o cientista sênior do Berkeley Lab e professor da UC Berkeley que liderou uma das equipes que originalmente descobriram a energia escura. Perlmutter também foi co-autor de ambos os estudos.

As supernovas foram usadas em 1998 para fazer a surpreendente descoberta de que a expansão do universo está se acelerando, em vez de desacelerar como era esperado. Essa aceleração, atribuída à energia escura que compõe dois terços de toda a energia do universo, foi desde então confirmada por uma variedade de técnicas independentes, bem como por estudos mais detalhados de supernovas.

A descoberta da energia escura dependeu do uso de uma classe particular de supernovas, Tipo Ia. Essas supernovas sempre explodem com quase o mesmo brilho máximo intrínseco. Como o brilho máximo observado da supernova é usado para inferir sua distância, as pequenas variações restantes no brilho máximo intrínseco limitaram a precisão com a qual a energia escura poderia ser testada. Apesar de 20 anos de melhorias por muitos grupos, os estudos de supernovas da energia escura até agora permaneceram limitados por essas variações.

Quadruplicando o número de supernovas

Os novos resultados anunciados pela SNfactory vêm de um estudo de vários anos dedicado inteiramente a aumentar a precisão das medições cosmológicas feitas com supernovas. A medição da energia escura requer comparações dos brilhos máximos de supernovas distantes a bilhões de anos-luz de distância com aquelas de supernovas próximas "apenas" 300 milhões de anos-luz de distância. A equipe estudou centenas dessas supernovas próximas com detalhes requintados. Cada supernova foi medida várias vezes, em intervalos de alguns dias. Cada medição examinou o espectro da supernova, registrando sua intensidade em toda a faixa de comprimento de onda da luz visível. Um instrumento feito sob medida para esta investigação, o SuperNova Integral Field Spectrometer, instalado no telescópio de 2,2 metros da Universidade do Havaí em Maunakea, foi usado para medir os espectros.

"Há muito tempo temos essa ideia de que, se a física da explosão de duas supernovas fosse a mesma, seus brilhos máximos seriam os mesmos. Usando os espectros da Fábrica de Supernovas Próximas como uma espécie de tomografia computadorizada através da explosão da supernova, poderíamos testar essa ideia", disse Perlmutter.

Na verdade, há vários anos, a física Hannah Fakhouri, então uma estudante de graduação que trabalhava com Perlmutter, fez uma descoberta chave para os resultados de hoje. Olhando para uma infinidade de espectros obtidos pela SNfactory, ela descobriu que, em vários casos, os espectros de duas supernovas diferentes pareciam quase idênticos. Entre as cerca de 50 supernovas, algumas eram gêmeas virtualmente idênticas. Quando os espectros ondulantes de um par de gêmeas foram sobrepostas, aos olhos havia apenas uma única trilha. A análise atual baseia-se nesta observação para modelar o comportamento das supernovas no período próximo ao tempo de seu brilho máximo.

Um exemplo de supernova: A Palomar Transient Factory capturou o SN 2011fe no Pinwheel Galaxy nas proximidades do Big Dipper em 24 de agosto de 2011. Crédito: BJ Fulton, Las Cumbres Observatory Global Telescope Network

O novo trabalho quase quadruplica o número de supernovas usadas na análise. Isso tornou a amostra grande o suficiente para aplicar técnicas de aprendizado de máquina para identificar esses gêmeos, levando à descoberta de que os espectros de supernova Tipo Ia variam em apenas três maneiras. Os brilhos intrínsecos das supernovas também dependem principalmente dessas três diferenças observadas, tornando possível medir as distâncias das supernovas com a notável precisão de cerca de 3%.

Tão importante quanto, esse novo método não sofre os vieses que afetaram os métodos anteriores, vistos na comparação de supernovas encontradas em diferentes tipos de galáxias. Como as galáxias próximas são um pouco diferentes das distantes, havia uma séria preocupação de que tal dependência produzisse leituras falsas na medição de energia escura. Agora, essa preocupação pode ser bastante reduzida medindo supernovas distantes com esta nova técnica.

Ao descrever este trabalho, Boone observou: "A medição convencional das distâncias da supernova usa curvas de luz, imagens tiradas em várias cores à medida que uma supernova se ilumina e desbota. Em vez disso, usamos um espectro de cada supernova. São muito mais detalhadas e com técnicas de aprendizado de máquina, tornou-se possível discernir o comportamento complexo que era a chave para medir distâncias mais precisas."

Os resultados dos artigos de Boone irão beneficiar dois experimentos importantes futuros. A primeira experiência será no Observatório Rubin, de 8,4 metros, em construção no Chile, com seu Legacy Survey of Space and Time, um projeto conjunto do Departamento de Energia e da Fundação Nacional de Ciência. O segundo é o futuro telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA. Esses telescópios medirão milhares de supernovas para melhorar ainda mais a medição da energia escura. Eles serão capazes de comparar seus resultados com medições feitas usando técnicas complementares.

Aldering, também co-autor dos artigos, observou que "não apenas essa técnica de medição de distância é mais precisa, mas requer apenas um único espectro, obtido quando uma supernova é mais brilhante e, portanto, mais fácil de observar, um divisor de águas!" Ter uma variedade de técnicas é particularmente valioso neste campo, onde os preconceitos revelaram-se errados e a necessidade de verificação independente é alta.

Mais informações: K. Boone et al. The Twins Embedding of Type Ia Supernovae. I. The Diversity of Spectra at Maximum Light, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3c

K. Boone et al. The Twins Embedding of Type Ia Supernovae. II. Improving Cosmological Distance Estimates, The Astrophysical Journal (2021). DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abec3b

Fonte: Phys