Os cosmólogos descobriram uma maneira de duplicar a precisão da medição de distâncias até explosões de supernova, uma das suas ferramentas testadas e comprovadas para o estudo da misteriosa energia escura que está fazendo com que o Universo se expanda cada vez mais depressa.
© Observatório Las Cumbres (SN 2011fe na Galáxia do Cata-Vento)
Os resultados da colaboração Nearby Supernova Factory (SNfactory), liderada por Greg Aldering do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) do Departamento de Energia dos EUA, permitirão aos cientistas estudar a energia escura com precisão e exatidão bastante aprimoradas e fornecer uma verificação cruzada poderosa da técnica através de vastas distâncias e do tempo.
As descobertas também serão fundamentais para as próximas experiências cosmológicas que vão usar novos telescópios terrestres e espaciais para testar explicações alternativas da energia escura.
As supernovas foram usadas em 1998 para fazer a surpreendente descoberta de que a expansão do Universo está acelerando, ao invés de desacelerar como era esperado. Esta aceleração - atribuída à energia escura que compõe dois-terços de toda a energia no Universo - foi desde então confirmada por uma variedade de técnicas independentes, bem como por estudos mais detalhados de supernovas.
A descoberta da energia escura dependeu da utilização de uma classe específica de supernovas, as do Tipo Ia. Estas supernovas explodem sempre com quase o mesmo brilho máximo intrínseco. Dado que o brilho máximo observado da supernova é usado para inferir a sua distância, as pequenas variações restantes no brilho máximo intrínseco limitaram a precisão com a qual a energia escura podia ser testada.
Apesar de 20 anos de melhorias por muitos grupos, os estudos da energia escura por meio de supernovas até agora permaneceram limitados por estas variações. Os novos resultados anunciados pela colaboração SNfactory vêm de um estudo de vários anos dedicado inteiramente para aumentar a precisão das medições cosmológicas feitas com supernovas.
A medição da energia escura requer comparações dos brilhos máximos de supernovas distantes a bilhões de anos-luz de distância com os de supernovas próximas a "apenas" 300 milhões de anos-luz de distância.
A equipe estudou centenas destas supernovas próximas com detalhes requintados. Cada supernova foi medida várias vezes, em intervalos de alguns dias. Cada medição examinou o espectro da supernova, registrando a sua intensidade em toda a gama de comprimentos de onda da luz visível.
Um instrumento feito sob medida para esta pesquisa, o SNIFS (SuperNova Integral Field Spectrometer), instalado no telescópio de 2,2 metros da Universidade do Havaí em Maunakea, foi usado para medir os espectros.
"Há muito tempo que temos esta ideia de que, se a física da explosão de duas supernovas fosse a mesma, os seus brilhos máximos seriam os mesmos. Usando os espectros da colaboração SNfactory como uma espécie de tomografia computorizada da explosão de supernova, pudemos testar esta ideia," disse Saul Perlmutter, laureado com o Prêmio Nobel de Física em 2011, cientista sênior do Berkeley Lab e professor da Universidade da Califórnia.
De fato, há vários anos a física Hannah Fakhouri, na ocasião uma estudante que trabalhava com Perlmutter, fez uma descoberta chave para os resultados de hoje. Olhando para uma variedade de espectros obtidos pela colaboração SNfactory, ela descobriu que, em vários casos, os espectros de duas supernovas diferentes pareciam quase idênticos. Entre as cerca de 50 supernovas, algumas eram gêmeas virtualmente idênticas. Quando os espectros ondulantes de um par de gêmeas foram sobrepostos, a olho nu parecia haver apenas uma única impressão.
A análise atual baseia-se nesta observação para modelar o comportamento das supernovas no período de tempo perto do seu brilho máximo. O novo trabalho quase quadruplica o número de supernovas usadas na análise. Isto tornou a amostra grande o suficiente para aplicar técnicas de aprendizagem de máquina e identificar estas gêmeas, levando à descoberta de que os espectros das supernovas do Tipo Ia variam de apenas três maneiras. Os brilhos intrínsecos das supernovas também dependem principalmente destas três diferenças observadas, tornando possível a medição das distâncias das supernovas com uma incrível precisão de cerca de 3%.
Dado que as galáxias próximas são um pouco diferentes das distantes, havia uma séria preocupação de que tal dependência produzisse leituras falsas na medição da energia escura. Agora, esta preocupação pode ser bastante reduzida medindo supernovas distantes com esta nova técnica.
A medição convencional de distâncias de supernovas usa curvas de luz, ou seja, imagens obtidas em várias cores conforme uma supernova se ilumina e desvanece. Ao invés, foi usado um espectro de cada supernova. Estes são muito mais detalhados e, com as técnicas de aprendizagem de máquina, tornou-se possível discernir o comportamento complexo que era fundamental para medir distâncias mais precisas.
Os resultados vão beneficiar duas grandes experiências futuras. A primeira será no Observatório Vera Rubin de 8,4 metros, em construção no Chile, com o seu levantamento LSST (Legacy Survey of Space and Time). O segundo é o futuro telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA. Estes telescópios vão medir milhares de supernovas para melhorar ainda mais a medição da energia escura. Serão capazes de comparar os seus resultados com medições feitas usando técnicas complementares.
Estas descobertas são relatadas em dois artigos publicados no periódico The Astrophysical Journal.
Fonte: Lawrence Berkeley National Laboratory
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