Utilizando inteligencia artificial y datos del innovador Observatorio Vera C. Rubin, los científicos están reconsiderando nuestro conocimiento sobre las “velas estándar” en el cosmos. Estos son objetos que resultan de explosiones provocadas por estrellas muertas que actúan como caníbales y nos ayudan a medir distancias en todo el universo.
Estas velas estándar también se denominan supernovas de tipo 1a, y su función de medición de distancias es fundamental para medir la velocidad a la que se expande el universo. Esto significa que también son parte integral de nuestra comprensión de cómo esta expansión se está acelerando debido al efecto de la energía oscura, la fuerza misteriosa que ayuda a separar nuestro cosmos en todas direcciones.
El enfoque del equipo de investigación para observar estas supernovas de Tipo 1a implica lo que se conoce como un marco combinado de inferencia y estandarización relacionada con las galaxias, o CIGaRS. Se diferencia de un enfoque más estándar porque, en lugar de utilizar observaciones espectroscópicas (que giran en torno al análisis de firmas de luz), analiza imágenes reales y un análisis matemático. Este enfoque, explica el equipo, permite a los astrónomos determinar más sobre la edad y la concentración de elementos pesados (conocidos colectivamente como “metales” en astronomía) en las estrellas que explotan en supernovas de Tipo 1a. Esto es importante porque puede revelar las distancias de las estrellas con mayor precisión.
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“Una forma potente de modelar el universo es simularlo en el ordenador”, afirmó en un comunicado Raúl Jiménez, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Barcelona. “Esto proporciona una manera de variar todos los parámetros posibles al mismo tiempo para predecir en qué universo vivimos.
“Además, al tener esta capacidad, uno puede investigar posibles sistemáticas ‘desconocidas’ para comprender su efecto. El impacto de estas sistemáticas en nuestra inferencia es posiblemente el ingrediente faltante más importante en los enfoques actuales para modelar el universo”.
Recapitulando el problema de la energía oscura y las estrellas caníbales
Nuestro descubrimiento de la energía oscura comenzó con la muerte de estrellas de tamaños similares al Sol y sus transformaciones en brasas estelares humeantes llamadas enanas blancas. El sol terminará su vida como enana blanca en unos 6 mil millones de años, desapareciendo solo en un cementerio cósmico que alguna vez fue nuestro sistema solar. Sin embargo, cuando las estrellas tienen una pareja binaria, las enanas blancas pueden volver a la vida como vampiros cósmicos quitando material de estas estrellas compañeras.
Este canibalismo estelar termina con una explosión nuclear desbocada que normalmente acaba con la enana blanca por completo: la supernova Tipo 1a.
Sin embargo, aquí está la belleza de la destrucción. Se ha considerado que estas explosiones de supernova de tipo 1a son de naturaleza tan uniforme (más sobre esto en un momento) que el análisis de su emisión de luz les dice a los investigadores qué tan lejos están y qué tan rápido se mueven debido a la expansión del cosmos.
En 1998, dos equipos de astrónomos utilizaron de forma independiente supernovas de Tipo 1a para descubrir que el universo no sólo se está expandiendo, sino que lo está haciendo a un ritmo cada vez más acelerado. El nombre provisional de la fuerza que impulsa esta aceleración es energía oscura.
Desde finales de la década de 1990, la situación se ha vuelto cada vez más complicada. Por ejemplo, ahora sabemos que la energía oscura, sea cual sea, domina el cosmos y representa alrededor del 68% del presupuesto de materia y energía del universo. Además, sabemos que la energía oscura sólo comenzó a dominar hace unos 4 mil millones de años, cuando el universo tenía alrededor de 9 mil millones de años y cuando la materia y su efecto gravitacional detuvieron la expansión impulsada por el Big Bang.
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Para tener una idea de por qué esto es preocupante, considere lo siguiente: imagine empujar a un niño en un columpio, verlo reducir la velocidad y detenerse casi por completo, como la expansión impulsada por el Big Bang. Luego, el swing se acelera y sigue moviéndose cada vez más rápido, pareciendo moverse sin ningún empujón. Eso es lo que la energía oscura le está haciendo al universo.
Por tanto, no es de extrañar que científicos como Jiménez y sus colegas quieran llegar al fondo de la energía oscura. Este enigma es ampliamente considerado como el mayor misterio de la cosmología moderna.
Pero aquí está la cuestión: ¿recuerdan el punto acerca de que las supernovas de Tipo 1a parecen idénticas? Los investigadores han descubierto recientemente que esto no siempre suena del todo cierto.
¿Velas no tan estándar?
Durante los últimos 20 años, los astrónomos han descubierto que el brillo de las supernovas de Tipo 1a depende ligeramente del entorno galáctico en el que explotan. Cuando estas explosiones estallan en galaxias grandes o viejas, se ven ligeramente diferentes de las de galaxias más pequeñas o más jóvenes.
Si bien este efecto se ha abordado mediante ajustes aproximados, todavía dificulta la precisión de las mediciones de distancia proporcionadas por estas cataclísmicas velas estándar. Este equipo abordó esa cuestión modelando todos los factores asociados con las supernovas, incluida la naturaleza de sus galaxias anfitrionas, cualquier polvo que pueda atenuar su producción de luz, la frecuencia de estas explosiones a lo largo del tiempo y, de hecho, la expansión del universo, todo a la vez. El resultado fue un modelo único y autoconsistente que une elementos física y estadísticamente. El equipo también pudo modelar decenas de miles de supernovas de Tipo 1a al mismo tiempo.
El resultado es un método que puede estimar las distancias de las galaxias con mucha precisión utilizando únicamente imágenes. Esto será crucial cuando el Legacy Survey of Space and Time (LSST), realizado por el Observatorio Rubin desde su posición en la cima de una montaña en Chile, comience a proporcionar observaciones de un número sin precedentes de supernovas. Algo con lo que el marco CIGaRS está especialmente equipado para lidiar.
“A diferencia de otros marcos, que requieren simplificaciones analíticas, nuestro enfoque de inferencia sin concesiones de extremo a extremo basado en simulación es excepcionalmente capaz de extraer toda la información cosmológica y astrofísica de los datos obtenidos con tanto esfuerzo por el Observatorio Rubin, evitando al mismo tiempo los peligros de los sesgos de selección y modelado”, dijo en el comunicado el líder del equipo Konstantin Karchev de la Universidad de Barcelona.
Estos resultados fueron publicados el miércoles (6 de mayo) en la revista Nature Astronomy.