La scoperta dell'energia oscura, una forza misteriosa che sta accelerando l'espansione dell'universo, si basava su osservazioni di supernovae di tipo 1a e queste esplosioni stellari sono state a lungo utilizzate come "candele standard" per misurare l'espansione. Un nuovo studio rivela le fonti di variabilità in queste supernovae e per sondare accuratamente la natura dell'energia oscura e determinare se è costante o variabile nel tempo, gli scienziati dovranno trovare un modo per misurare le distanze cosmiche con una precisione molto maggiore di quanto non abbiano in il passato.
"Quando inizieremo la prossima generazione di esperimenti di cosmologia, vorremmo usare le supernove di tipo 1a come misure molto sensibili della distanza", ha dichiarato l'autore principale Daniel Kasen, di uno studio pubblicato su Nature questa settimana. "Sappiamo che non hanno tutti la stessa luminosità e abbiamo modi di correggerli, ma dobbiamo sapere se ci sono differenze sistematiche che pregiudicherebbero le misurazioni della distanza. Quindi questo studio ha esplorato ciò che causa queste differenze di luminosità. "
Kasen e i suoi coautori - Fritz Röpke del Max Planck Institute for Astrophysics di Garching, in Germania, e Stan Woosley, professore di astronomia e astrofisica presso l'UC Santa Cruz - hanno utilizzato i supercomputer per eseguire decine di simulazioni di supernovae di tipo 1a. I risultati indicano che gran parte della diversità osservata in queste supernovae è dovuta alla natura caotica dei processi coinvolti e alla conseguente asimmetria delle esplosioni.
Per la maggior parte, questa variabilità non produrrebbe errori sistematici negli studi di misurazione fintanto che i ricercatori usano un gran numero di osservazioni e applicano le correzioni standard, Kasen ha detto. Lo studio ha trovato un piccolo ma potenzialmente preoccupante effetto che potrebbe derivare da differenze sistematiche nelle composizioni chimiche delle stelle in momenti diversi della storia dell'universo. Ma i ricercatori possono utilizzare i modelli di computer per caratterizzare ulteriormente questo effetto e sviluppare correzioni per esso.
Una supernova di tipo 1a si verifica quando una stella nana bianca acquisisce ulteriore massa sottrando materia da una stella compagna. Quando raggiunge una massa critica - 1,4 volte la massa del Sole, racchiusa in un oggetto delle dimensioni della Terra - il calore e la pressione al centro della stella generano una reazione di fusione nucleare in fuga, e la nana bianca esplode. Dato che le condizioni iniziali sono praticamente le stesse in tutti i casi, queste supernove tendono ad avere la stessa luminosità e le loro "curve di luce" (come la luminosità cambia nel tempo) sono prevedibili.
Alcuni sono intrinsecamente più luminosi di altri, ma questi bagliori si attenuano più lentamente e questa correlazione tra la luminosità e l'ampiezza della curva della luce consente agli astronomi di applicare una correzione per standardizzare le loro osservazioni. Quindi gli astronomi possono misurare la curva della luce di una supernova di tipo 1a, calcolare la sua luminosità intrinseca e quindi determinare quanto è lontana, poiché la luminosità apparente diminuisce con la distanza (proprio come una candela appare più fioca a distanza di quanto non faccia da vicino) .
I modelli informatici utilizzati per simulare queste supernovae nel nuovo studio si basano sull'attuale comprensione teorica di come e dove inizia il processo di accensione all'interno della nana bianca e dove si passa dalla combustione a combustione lenta alla detonazione esplosiva.
Le simulazioni hanno mostrato che l'asimmetria delle esplosioni è un fattore chiave che determina la luminosità delle supernovae di tipo 1a. "Il motivo per cui queste supernovae non sono tutte della stessa luminosità è strettamente legato a questa rottura della simmetria sferica", ha detto Kasen.
La fonte dominante di variabilità è la sintesi di nuovi elementi durante le esplosioni, sensibile alle differenze nella geometria delle prime scintille che accendono una fuga termonucleare nel nucleo sobbollente della nana bianca. Il nichel-56 è particolarmente importante, perché il decadimento radioattivo di questo isotopo instabile crea il bagliore che gli astronomi sono in grado di osservare per mesi o addirittura anni dopo l'esplosione.
“Il decadimento del nichel-56 è ciò che alimenta la curva della luce. L'esplosione è terminata in pochi secondi, quindi quello che vediamo è il risultato di come il nichel riscalda i detriti e di come i detriti irradiano luce ”, ha detto Kasen.
Kasen ha sviluppato il codice del computer per simulare questo processo di trasferimento radiativo, usando l'output delle esplosioni simulate per produrre visualizzazioni che possono essere confrontate direttamente con le osservazioni astronomiche delle supernovae.
La buona notizia è che la variabilità osservata nei modelli di computer concorda con le osservazioni delle supernovae di tipo 1a. “Soprattutto, la larghezza e la luminosità di picco della curva della luce sono correlate in un modo che concorda con ciò che gli osservatori hanno trovato. Quindi i modelli sono coerenti con le osservazioni su cui si basava la scoperta dell'energia oscura ", ha detto Woosley.
Un'altra fonte di variabilità è che queste esplosioni asimmetriche sembrano diverse se viste da angolazioni diverse. Questo può spiegare differenze di luminosità fino al 20 percento, ha detto Kasen, ma l'effetto è casuale e crea dispersione nelle misurazioni che possono essere statisticamente ridotte osservando un gran numero di supernovae.
Il potenziale di distorsione sistematica deriva principalmente dalla variazione della composizione chimica iniziale della stella nana bianca. Gli elementi più pesanti vengono sintetizzati durante le esplosioni di supernova e i detriti di tali esplosioni vengono incorporati in nuove stelle. Di conseguenza, è probabile che le stelle formate di recente contengano più elementi pesanti ("metallicità" superiore nella terminologia degli astronomi) rispetto alle stelle formate in un lontano passato.
"Questo è il tipo di cosa che ci aspettiamo di evolvere nel tempo, quindi se guardi le stelle distanti corrispondenti a tempi molto precedenti nella storia dell'universo, tenderanno ad avere una metallicità inferiore", ha detto Kasen. "Quando abbiamo calcolato l'effetto di questo nei nostri modelli, abbiamo scoperto che gli errori risultanti nelle misurazioni della distanza sarebbero dell'ordine del 2 percento o meno."
Ulteriori studi che utilizzano simulazioni al computer consentiranno ai ricercatori di caratterizzare gli effetti di tali variazioni in modo più dettagliato e di limitare il loro impatto sui futuri esperimenti di energia oscura, che potrebbe richiedere un livello di precisione che renderebbe inaccettabili errori del 2%.
Fonte: EurekAlert
