A descoberta da energia escura, uma força misteriosa que está acelerando a expansão do universo, foi baseada em observações de supernovas do tipo 1a, e essas explosões estelares são usadas há muito tempo como “velas padrão” para medir a expansão. Um novo estudo revela fontes de variabilidade nessas supernovas e, para sondar com precisão a natureza da energia escura e determinar se ela é constante ou variável ao longo do tempo, os cientistas terão que encontrar uma maneira de medir distâncias cósmicas com muito maior precisão do que em o passado.
"Quando começamos a próxima geração de experimentos de cosmologia, queremos usar supernovas do tipo 1a como medidas muito sensíveis da distância", disse o principal autor Daniel Kasen, de um estudo publicado na revista Nature nesta semana. “Sabemos que eles não têm o mesmo brilho e temos maneiras de corrigir isso, mas precisamos saber se existem diferenças sistemáticas que influenciariam as medidas de distância. Portanto, este estudo explorou o que causa essas diferenças no brilho. ”
Kasen e seus co-autores - Fritz Röpke, do Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching, Alemanha, e Stan Woosley, professor de astronomia e astrofísica da UC Santa Cruz - usaram supercomputadores para executar dezenas de simulações de supernovas tipo 1a. Os resultados indicam que grande parte da diversidade observada nessas supernovas se deve à natureza caótica dos processos envolvidos e à assimetria resultante das explosões.
Na maioria das vezes, essa variabilidade não produziria erros sistemáticos nos estudos de medição, desde que os pesquisadores usassem um grande número de observações e aplicassem as correções padrão, disse Kasen. O estudo encontrou um efeito pequeno, mas potencialmente preocupante, que poderia resultar de diferenças sistemáticas nas composições químicas das estrelas em diferentes momentos da história do universo. Mas os pesquisadores podem usar os modelos de computador para caracterizar ainda mais esse efeito e desenvolver correções para ele.
Uma supernova tipo 1a ocorre quando uma estrela anã branca adquire massa adicional ao desviar a matéria de uma estrela companheira. Quando atinge uma massa crítica - 1,4 vezes a massa do Sol, compactada em um objeto do tamanho da Terra - o calor e a pressão no centro da estrela provocam uma reação descontrolada de fusão nuclear, e a anã branca explode. Como as condições iniciais são praticamente as mesmas em todos os casos, essas supernovas tendem a ter a mesma luminosidade, e suas “curvas de luz” (como a luminosidade muda com o tempo) são previsíveis.
Algumas são intrinsecamente mais brilhantes que outras, mas elas se extinguem e desaparecem mais lentamente, e essa correlação entre o brilho e a largura da curva da luz permite que os astrônomos apliquem uma correção para padronizar suas observações. Assim, os astrônomos podem medir a curva de luz de uma supernova do tipo 1a, calcular seu brilho intrínseco e determinar a que distância está, pois o brilho aparente diminui com a distância (assim como uma vela parece mais fraca à distância do que de perto) .
Os modelos de computador usados para simular essas supernovas no novo estudo são baseados no entendimento teórico atual de como e onde o processo de ignição começa dentro da anã branca e onde ele faz a transição da combustão de combustão lenta para a detonação explosiva.
As simulações mostraram que a assimetria das explosões é um fator chave na determinação do brilho das supernovas do tipo 1a. "A razão pela qual essas supernovas não têm o mesmo brilho está intimamente ligada a essa quebra de simetria esférica", disse Kasen.
A fonte dominante de variabilidade é a síntese de novos elementos durante as explosões, o que é sensível a diferenças na geometria das primeiras faíscas que acendem um fugitivo termonuclear no núcleo fervente da anã branca. O níquel-56 é especialmente importante, porque o decaimento radioativo desse isótopo instável cria o brilho que os astrônomos conseguem observar por meses ou até anos após a explosão.
“A deterioração do níquel-56 é o que alimenta a curva de luz. A explosão acabou em questão de segundos, então o que vemos é o resultado de como o níquel aquece os detritos e como os detritos irradiam luz ”, disse Kasen.
Kasen desenvolveu o código do computador para simular esse processo de transferência radiativa, usando a saída das explosões simuladas para produzir visualizações que podem ser comparadas diretamente às observações astronômicas de supernovas.
A boa notícia é que a variabilidade observada nos modelos de computador concorda com as observações das supernovas do tipo 1a. “O mais importante é que a largura e o pico de luminosidade da curva de luz estão correlacionados de uma maneira que concorda com o que os observadores descobriram. Portanto, os modelos são consistentes com as observações nas quais a descoberta de energia escura foi baseada ”, disse Woosley.
Outra fonte de variabilidade é que essas explosões assimétricas parecem diferentes quando vistas em ângulos diferentes. Isso pode explicar diferenças de brilho de até 20%, disse Kasen, mas o efeito é aleatório e cria dispersão nas medições que podem ser estatisticamente reduzidas pela observação de um grande número de supernovas.
O potencial para viés sistemático vem principalmente da variação na composição química inicial da estrela anã branca. Elementos mais pesados são sintetizados durante as explosões de supernovas, e os detritos dessas explosões são incorporados em novas estrelas. Como resultado, é provável que as estrelas formadas recentemente contenham elementos mais pesados (maior "metalicidade", na terminologia dos astrônomos) do que as estrelas formadas no passado distante.
"Esse é o tipo de coisa que esperamos evoluir ao longo do tempo; portanto, se você observar estrelas distantes correspondentes a tempos muito anteriores na história do universo, elas tenderão a ter menor metalicidade", disse Kasen. "Quando calculamos o efeito disso em nossos modelos, descobrimos que os erros resultantes nas medições de distância seriam da ordem de 2% ou menos".
Estudos adicionais usando simulações em computador permitirão que os pesquisadores caracterizem os efeitos de tais variações em mais detalhes e limitem seu impacto em futuros experimentos com energia escura, o que pode exigir um nível de precisão que tornaria erros de 2% inaceitáveis.
Fonte: EurekAlert
