La variabilidad en las supernovas de tipo Ia tiene importancia para el estudio de la energía oscura

Las explosiones estelares que se conocen como supernovas de tipo Ia se han usado durante mucho tiempo como elemento estándar de medida. Su brillo uniforme aporta a los astrónomos una forma de medir distancias cósmicas y la expansión del universo. Pero un nuevo estudio que fue publicado esta semana en la revista Nature revela fuentes de variación en las supernovas de tipo Ia que deberán ser tomadas en cuenta si los astrónomos las quieren usar para medidas más precisas en el futuro

El descubrimiento de la energía oscura, una misteriosa fuerza que está acelerando la expansión del universo, se basó en las observaciones de las supernovas de tipo Ia. Pero para estudiar la naturaleza de la energía oscura y determinar si es constante o variable en el tiempo, los científicos tendrán que medir distancias cósmicas con mucho mayor precisión de lo que lo han hecho en el pasado.

“Cuando iniciemos la próxima generación de experimentos cosmológicos, querremos usar las supernovas de tipo Ia como indicadores sensibles de distancia”, dijo el autor principal Daniel Kasen, miembro posdoctoral del Hubble en la Universidad de California en Santa Cruz. “Sabemos que no todas tienen el mismo brillo, y tenemos formas de corregir esto, pero debemos saber si hay diferencias sistemáticas que cambiarían las medidas de distancia. Así que este estudio explora qué es lo que produce esas diferencias en el brillo”.

Kasen y sus coautores —Fritz Röpke del Instituto Max Planck para Astrofísica en Garching, Alemania, y Stan Woosley, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California en Santa Cruz— utilizaron supercomputadores para correr docenas de simulaciones de supernovas de tipo Ia. Los resultados indican que gran parte de la diversidad observada en estas supernovas se debe a la naturaleza caótica de los procesos implicados y a la asimetría que resulta de las explosiones.

En la mayor parte, esta variabilidad no produciría errores sistemáticos en los estudios de medición dado que los investigadores utilizan una gran cantidad de observaciones y aplican las correcciones estándar, dijo Kasen. El estudio encontró un efecto pequeño pero preocupante que podría dar como resultado diferencias sistemáticas en la composición química de las estrellas en distintas etapas de la historia del universo. Pero los investigadores pueden usar los modelos por computadora para caracterizar más este efecto y desarrollar la manera de corregirlo.

“Debido a que estamos comenzando a comprender cómo funcionan las supernovas de tipo Ia a partir de sus principios básicos, estos modelos se pueden usar para refinar nuestras estimaciones de distancia y medir el índice de expansión del universo en forma más precisa”, dijo Woosley.

Una supernova de tipo Ia se produce cuando una estrella enana blanca adquiere masa adicional al absorber materia de una estrella compañera. Cuando alcanza una masa crítica —que es de 1,4 veces la masa del Sol, compactada en un objeto del tamaño de la Tierra— el calor y la presión del núcleo de la estrella disparan una reacción desbocada de fusión nuclear, y la enana blanca estalla. Como las condiciones iniciales son aproximadamente las mismas en todos los casos, las supernovas tienden a tener la misma luminosidad, y sus “curvas de luz” (el cambio de luminosidad a lo largo del tiempo) son predecibles.

Intrínsecamente, algunas son más brillantes que otras, pero ésas se encienden y apagan más lentamente, y su correlación entre el brillo y el ancho de la curva de luz permite a los astrónomos aplicar correcciones que estandarizan sus observaciones. Así que los astrónomos pueden medir la curva de luz de una supernova de tipo Ia, calcular su brillo intrínseco, y entonces determinar cuán lejos está, dado que el brillo aparente disminuye con la distancia (tal como cualquier luz parece más tenue en la lejanía que una que está más cerca).

Los modelos por computadora que se usan en el nuevo estudio para simular estas supernovas se basan en la comprensión teórica actual de cómo y dónde se inicia el proceso de ignición dentro de la enana blanca, y dónde empieza la transición desde una combustión lenta a una detonación explosiva.

“Dado que la ignición no se produce en el punto central muerto, y que la detonación se da primero en un punto cerca de la superficie de la enana blanca, las explosiones resultantes no son esféricamente simétricas”, explicó Woosley. “Esto sólo se podría estudiar adecuadamente usando cálculos multidimensionales”.

La mayor parte de los estudios anteriores han utilizado modelos de una dimensión en los que la explosión que se simula es esféricamente simétrica. Las simulaciones multidimensionales requieren mucha más potencia de cálculo, por lo que el grupo de Kasen ejecutó la mayor parte de sus simulaciones en la poderosa supercomputadora Jaguar en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, y también utilizó supercomputadoras del Centro de Nacional de Cálculo de Investigación en Energía en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Los resultados de modelos bidimensionales se reportan en el artículo de Nature, y los estudios tridimensionales están aún en curso.

Las simulaciones mostraron que la asimetría de las explosiones es un factor clave para determinar el brillo de una supernova de tipo Ia. “La razón de que estas supernovas no tengan todas el mismo brillo está estrechamente vinculada con la ruptura de la simetría esférica”, dijo Kasen.

La fuente de variabilidad que predomina es la síntesis de nuevos elementos durante las explosiones, sensible a diferencias en la geometría de las primeras chipas que encienden la reacción termonuclear que se dispara en el núcleo de la enana blanca. Es especialmente importante el níquel-56, debido a que la desintegración radiactiva de este inestable isótopo produce el resplandor que los astrónomos observan durante meses o incluso años luego de la explosión.

“La desintegración del níquel-56 es la que alimenta la curva de luz. La explosión acaba en cuestión de segundos, por lo tanto lo que vemos es el resultado del modo en que el níquel calienta los restos y cómo estos retos irradian luz”, dijo Kasen.

Kasen desarrolló el código de computadora para simular este proceso de transferencia radiativa, usando salidas de explosiones simuladas para producir visualizaciones que se pueden comparar directamente con observaciones astronómicas en las supernovas.

La buena nueva es que la variabilidad que se ve en los modelos por computadora concuerda con las observaciones de supernovas de tipo Ia. “Más importante aún, el ancho y el pico de luminosidad de la curva de luz están correlacionados de una manera que encaja con lo que han encontrado los observadores. Por lo tanto, los modelos son consistentes con las observaciones en las que se basó el descubrimiento de la energía oscura”, dijo Woosley.

Otra fuente de variación es que estas explosiones asimétricas se ven de forma muy diferente al observarlas desde distintos ángulos. Esto puede variar hasta en un 20 % las diferencias de brillo, dijo Kasen, pero el efecto es aleatorio y crea una dispersión en las medidas que puede ser reducida estadísticamente observando gran número de supernovas.

El potencial de variación sistemática viene principalmente de la variación en la composición química inicial de la estrella enana blanca. Los elementos más pesados son sintetizados durante las explosiones de supernovas, y los restos de esas explosiones se incorporan en nuevas estrellas. Como resultado, es probable que las estrellas que se formaron más recientemente contengan elementos más pesados (una “metalicidad” más alta, en terminología astronómica) que las estrellas fomadas en el pasado.

“Este es el tipo de cosa que esperamos que evolucione con el tiempo, por lo que si se observan estrellas lejanas que corresponden a épocas muy primitivas en la historia del universo, tenderán a tener menor metalicidad”, dijo Kasen. “Cuando calculamos el efecto de esto en nuestros modelos, hallamos que el error resultante en la medida de distancia sería de un orden del 2 por ciento, o menos”.

Posteriores estudios con simulaciones por computadora permitirán que los investigadores caractericen los efectos de estas variaciones con mayor detalle y limiten su impacto en los futuros experimentos de energía oscura, que podrían requerir un nivel de precisión que haría inaceptable un error del 2 por ciento.

Este estudio fue financiado por el programa «Scientific Discovery through Advanced Computing» (SciDAC) del Departmento de Energía de los EEUU. El tiempo de computadora fue aportado por NERSC y ORNL gracias a un premio del programa «Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment» (INCITE) del DOE.

Fuente: Universidad de California en Santa Cruz. Aportado por Eduardo J. Carletti

Más información: