La misión Roman Space Telescope de la NASA desvelará secretos cósmicos a través del estudio de supernovas del tipo Ia

El próximo telescopio espacial, Nancy Grace Roman de la NASA, estudiará miles de explosiones de estrellas llamadas supernovas, en vastas extensiones de tiempo y espacio. Con las observaciones, los astrónomos pretenden resolver varios misterios cósmicos, proporcionando una ventana al pasado lejano y al presente nebuloso del universo.

El estudio de supernovas de Roman ayudará a determinar las velocidades a las que se está expandiendo actualmente el universo e incluso proporcionará una nueva forma de estudiar la distribución de la materia oscura, que solo es detectable a través de sus efectos gravitacionales. Uno de los principales objetivos científicos de la misión necesita el estudio de supernovas para ayudar a precisar la naturaleza de la energía oscura: la inexplicable presión cósmica que está acelerando la expansión del universo.

El mayor misterio del espacio

“La energía oscura constituye la mayor parte del cosmos, pero en realidad no sabemos qué es”, dijo Jason Rhodes, Investigador científico principal del Jet Propulsion Laboratory de la NASA en el sur de California. “Al reducir las posibles explicaciones, Roman podrá revolucionar nuestra comprensión del universo, ¡y la energía oscura es solo uno de los muchos temas que explorará la misión!”

Roman utilizará varios métodos para investigar la energía oscura. Uno consiste en examinar el cielo en busca de un tipo especial de estrella en explosión, llamada supernova de tipo Ia.

El próximo telescopio espacial, Nancy Grace Roman de la NASA, estudiará miles de estrellas en explosión llamadas supernovas en vastas extensiones de tiempo y espacio. Con estas observaciones, los astrónomos pretenden resolver varios misterios cósmicos, proporcionando una ventana al pasado lejano y al presente nebuloso del universo.
Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA/CI Labs.

Muchas supernovas ocurren cuando las estrellas masivas se quedan sin combustible, colapsan rápidamente por su propio peso y luego explotan debido a las fuertes ondas de choque que salen de su interior. Estas supernovas suceden aproximadamente una vez cada 50 años en nuestra galaxia, la Vía Láctea. Pero los datos muestran que, las supernovas de tipo Ia, se originan en algunos sistemas estelares binarios que contienen al menos una enana blanca: el pequeño núcleo caliente remanente de una estrella similar al Sol. Las supernovas de tipo Ia son mucho más raras y ocurren aproximadamente una vez cada 500 años en la Vía Láctea.

En algunos casos, la enana puede desviar material de su compañera. Esto desencadena una reacción descontrolada que acaba detonando a la ladrona una vez que alcanza un punto específico en el que ha ganado tanta masa que se vuelve inestable. Los astrónomos también han encontrado datos que apoyan otro escenario que involucra a dos enanas blancas qgirando en espiral una en torno a la otra, hasta que se fusionan. Si su masa combinada es lo suficientemente alta como para provocar inestabilidad, también pueden producir una supernova de tipo Ia.

Estas explosiones alcanzan su punto máximo con un brillo especial, lo que hace que a las supernovas de tipo se las llamen velas estándar, que son objetos o eventos que emiten una cantidad específica de luz, que permite a los científicos encontrar su distancia con una fórmula sencilla. Debido a esto, los astrónomos pueden determinar la distancia a la que están las supernovas, simplemente midiendo el brillo.

Los astrónomos también usarán Roman para estudiar la luz de estas supernovas y descubrir la velocidad a la que parecen alejarse de nosotros. Al comparar la velocidad a la que están retrocediendo en diferentes distancias, los científicos rastrearán la expansión cósmica a lo largo del tiempo. Esto nos ayudará a comprender si la energía oscura ha cambiado a lo largo de la historia del universo y cómo ha cambiado.

“A finales de la década de 1990, los científicos descubrieron utilizando docenas de supernovas de tipo Ia, que la expansión del universo se estaba acelerando”, dijo Daniel Scolnic, profesor asistente de física en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, quien está ayudando a diseñar el estudio de supernovas de Roman. “Roman las encontrará por miles, y mucho más lejos que la mayoría de las que hemos visto hasta ahora”.

Los estudios previos de supernovas de tipo Ia se han centrado en el universo relativamente cercano, en gran parte debido a las limitaciones de los instrumentos. La visión infrarroja, el gigantesco campo de visión y la exquisita sensibilidad de Roman, ampliarán drásticamente la búsqueda, apartando las cortinas cósmicas lo suficiente como para permitir que los astrónomos detecten miles de supernovas distantes de tipo Ia.

La misión estudiará en detalle la influencia de la energía oscura en más de la mitad de la historia del universo, cuando tenía entre 4 y 12 mil millones de años. Explorar esta región relativamente no explorada ayudará a los científicos a adherir piezas cruciales al rompecabezas de la energía oscura.

“Las supernovas de tipo Ia se encuentran entre los estudios cosmológicos más importantes que tenemos, pero son difíciles de ver cuando están lejos”, dijo Scolnic. “Necesitamos medidas extremadamente precisas y un instrumento increíblemente estable, que es exactamente lo que proporcionará Roman”.

Además de proporcionar una verificación cruzada con otros estudios de energía oscura de la misión, las observaciones de supernovas de tipo Ia de Roman, podrán ayudar a los astrónomos a desvelar otro misterio. Siguen apareciendo discrepancias en las mediciones de la constante de Hubble, que describe la velocidad a la que se está expandiendo actualmente el universo.

Las predicciones basadas en datos del universo temprano, de unos 380.000 años después del Big Bang, indican que el cosmos debería expandirse actualmente a unos 67 kilómetros por segundo por cada megaparsec de distancia (un megaparsec equivale a unos 3,26 millones de años luz). Pero los datos obtenidos del universo moderno indican una expansión más rápida, entre 70 y 76 kilómetros por segundo por megaparsec.

Roman ayudará explorando diferentes fuentes potenciales de estas discrepancias. Algunos métodos para determinar la velocidad a la que se está expandiendo el universo ahora se basan en supernovas de tipo Ia. Si bien estas explosiones son notablemente similares (por lo que son herramientas valiosas para medir distancias) existen pequeñas variaciones. El extenso sondeo de Roman podrá mejorar su uso como velas estándar, al ayudarnos a comprender las causas de las variaciones.

La misión debería revelar cómo las propiedades de las supernovas de tipo Ia cambian con la edad, ya que se las observará a lo largo de una vasta extensión de la historia cósmica. Roman también detectará estas explosiones en varios lugares de sus galaxias anfitrionas, lo que podría ofrecer pistas sobre cómo el entorno de una supernova altera su explosión.

Iluminando la materia oscura

En un artículo de 2020, un equipo dirigido por Zhongxu Zhai, investigador asociado postdoctoral en Caltech/IPAC, California, mostró que los astrónomos podrán obtener aún más información cósmica de las observaciones de supernovas de Roman.

“Roman tendrá que observar a través de enormes extensiones del universo para captar supernovas distantes”, dijo Yun Wang, científico investigador senior de Caltech/IPAC y coautor del estudio. “Pueden pasar muchas cosas a la luz en viajes tan largos a través del espacio. Hemos demostrado que podemos aprender mucho sobre la estructura del universo analizando cómo la luz de las supernovas de tipo Ia se ha desviado a medida que pasaba por la materia intermedia”.

Cualquier cosa con masa deforma el tejido del espacio-tiempo. La luz viaja en línea recta, pero si el espacio-tiempo se dobla, lo que sucede cerca de objetos masivos, la luz sigue esa curva. Cuando observamos supernovas distantes de tipo Ia, el espacio-tiempo deformado alrededor de la materia intermedia, como galaxias individuales o grupos de materia oscura, puede magnificar la luz de la explosión más distante.

Al estudiar esta luz magnificada, los científicos tendrán una nueva forma de probar cómo se agrupa la materia oscura en todo el universo. Aprender más sobre la materia que compone el cosmos ayudará a los científicos a refinar su modelo teórico de cómo evoluciona el universo.

Al trazar el comportamiento de la energía oscura a lo largo de la historia cósmica, enfocarse en cómo se está expandiendo el universo hoy y proporcionar más información sobre la misteriosa materia oscura, la misión otorgará una avalancha de datos a los astrónomos que buscan resolver estos y otros problemas. Con su capacidad para ayudar a resolver tantos misterios cósmicos, Roman será una de las herramientas más importantes para estudiar el universo que jamás hayamos construido.

El telescopio espacial Nancy Grace Roman se gestiona en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Jet Propulsion Laboratory y Caltech/IPAC de la NASA en el sur de California, el Space Telescope Science Institute en Baltimore y equipos científicos integrados por científicos de diversas instituciones de investigación.

Edición: R. Castro.