12 de agosto de 2009
F. Ropke
Las explosiones conocidas como supernova tipo 1a han sido largamente utilizadas como “candelas estándares”, pues su brillo uniforme dio a los astrónomos un camino para medir distancias cósmicas y la expansión del Universo. Pero un nuevo estudio publicado en la edición de Nature del 12 de agosto de 2009 revela fuentes de variabilidad en las supernovas de tipo 1a, que deberán ser tenidas en cuenta si los astrónomos las usaren para mediciones más precisas en el futuro.
El descubrimiento de la energía oscura, una misteriosa fuerza que está acelerando la expansión del Universo, estuvo basado en observaciones de supernovas de tipo 1a. Pero, para probar la naturaleza de la energía oscura y determinar si ésta es constante o variable en el tiempo, los científicos deberán medir distancias cósmicas con mucha mayor precisión que la que tuvieron en el pasado.
“Con el comienzo de las próximas generaciones de experimentos cosmológicos, necesitaremos usar las supernovas de tipo 1a como medidas muy sensibles de distancias”, dijo el autor líder Daniel Kasen, miembro posdoctoral del Hubble, en la Universidad de California, Santa Cruz (UCSC). “Sabemos que no tienen todas el mismo brillo y tenemos formas de corregirlo, pero necesitamos saber si son diferencias sistemáticas que modificarían las mediciones de distancias. Por lo que este estudio exploró las causas de aquellas diferencias de brillo”.
Kasen y sus coautores – Fritz Ropke, del Instituto Max Planck para la Astrofísica en Garching, Alemania, y Stan Woosley, profesor de astronomía y astrofísica en UCSC – usaron supercomputadoras para correr docenas de simulaciones de supernovas tipo 1a. Los resultados indican que mucha de la diversidad observada es debida a la naturaleza caótica de los procesos involucrados y de la asimetría que resulta de las explosiones.
Para la mayoría, esta variabilidad no produciría errores sistemáticos en los estudios de mediciones, ya que los investigadores usan un gran número de observaciones y aplican correcciones estándares, dijo Kasen. El estudio encontró un pequeño pero fastidioso efecto que podría resultar de diferencias sistemáticas en la composición química de estrellas en diferentes tiempos en la historia del Universo. Pero los investigadores pueden usar los modelos por computadora para, además, caracterizar estos efectos y descubrir cómo corregirlos.
“Dado que estamos comenzando a comprender cómo trabajan las supernovas tipo 1a desde el principio, esos modelos pueden ser usados para refinar nuestras estimaciones de distancias y hacer mediciones más precisas de la tasa de expansión de Universo”.
Una supernova tipo 1a ocurre cuando una estrella enana blanca adquiere masa adicional por materia entregada desde una estrella compañera. Cuando ésta alcanza una masa crítica – 1,4 veces la masa del Sol, empaquetada en un objeto del tamaño de la Tierra – el calor y la presión, en el centro de la estrella, enciende una reacción de fusión nuclear incontrolable y la enana blanca explota. Puesto que las condiciones iniciales son casi las mismas en todos los casos, estas supernovas tienden a tener la misma luminosidad, y sus “curvas de luz” (cómo cambia la luminosidad con el tiempo) son predecibles.
Algunas son intrínsecamente más brillantes que otras, pero éstas estallan y se apagan más lentamente, y su correlación entre el brillo y el ancho de su curva de luz permite a los astrónomos aplicar una corrección para estandarizar sus observaciones. Así, los astrónomos pueden medir la curva de luz de una supernova tipo 1a, calcular su brillo intrínseco, y luego determinar cúan lejos está, dado que el brillo aparente disminuye con la distancia (igual que una lámpara aparece más tenue a la distancia que cuando está cerca).
Los modelos de computadora usados para simular estas supernovas en el nuevo estudio, están basados en los conocimientos teóricos actuales de cómo y dónde comienzan los procesos de ignición dentro de la enana blanca y dónde ésta realiza la transición entre una suave combustión y una detonación explosiva.
“Dado que la ignición no ocurre en el centro muerto y dado que la detonación ocurre primero en algún punto cercano a la superficie de la enana blanca en explosión, las explosiones resultantes no son simétricamente esféricas,” explicó Woosley. “Esto sólo podría ser estudiado apropiadamente, usando cálculos multidimensionales.”
Estudios anteriores han usado modelos unidimensionales, en los cuales la explosión simulada es simétricamente esférica. Simulaciones multidimensionales requieren mucho más poder de cómputo, por lo que el grupo de Kasen corrió muchas de sus simulaciones en la poderosa supercomputadora Jaguar, del Laboratorio Nacional Oak Ridge, y también usaron supercomputadoras en el Centro de Cómputos de Investigaciones Científicas de Energía Nacional, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Los resultados de los modelos bidimensionales son reportados en la revista Nature, y están realizando, actualmente, estudios tridimensionales.
Las simulaciones mostraron que la asimetría de las explosiones es un factor fundamental en la determinación del brillo de una supernova tipo 1a. “La razón de que estas supernovas no sean igualmente brillantes está muy ligada a esta quebradura de la simetría esférica”, dijo Kasen.
La fuente de variabilidad dominante es la síntesis de nuevos elementos durante las explosiones, la cual es sensible a diferencias en la geometría de las primeras chispas que encienden una reacción termonuclear en el corazón cocinado a fuego lento de la enana blanca. El Níquel-56 es especialmente importante, porque el decaimiento radiactivo de este isótopo inestable crea el brillo remanente que los astrónomos son capaces de observar por meses o aun por años, luego de la explosión.
“Es el decaimiento del Níquel-56 lo que potencia la curva de luz. La explosión es completa en materia de segundos y, lo que vemos, es el resultado de cómo el Níquel calienta los residuos y cómo esos residuos irradian luz”, dijo Kasen.
Kasen descubrió el código de computación para simular este proceso de transferencia radiactiva, usando producción de explosiones simuladas para producir visualizaciones que pueden ser comparadas directamente a las observaciones astronómicas de supernovas.
La buena noticia es que la variabilidad vista en los modelos computados está de acuerdo con las observaciones de las supernovas tipo 1a. “Más importante, el ancho y el pico de luminosidad de la curva de luz están correlacionados y están de acuerdo con lo que los observadores han encontrado. Por lo que los modelos son consistentes con las observaciones en las cuales está basado el descubrimiento de la energía oscura”, dijo Woosley.
Otra fuente de variabilidad es que estas explosiones asimétricas lucen diferentes cuando se ven a diferentes ángulos. Esto puede suceder por diferencias en brillo de hasta el 20%, dijo Kasen, pero este efecto es al azar y crea dispersión en las mediciones que pueden ser estadísticamente reducidas observando un gran número de supernovas.
El potencial para desvíos sistemáticos viene principalmente de la variación de la composición química inicial de la estrella enana blanca. Los elementos más pesados son sintetizados durante las explosiones de supernovas, y el residuo de aquellas explosiones es incorporado en nuevas estrellas. Como resultado, las estrellas formadas recientemente contienen más elementos pesados (alta metalicidad, en la terminología de los astrónomos) que las estrellas formadas en el pasado distante.
“Ésta es la clase de cosas que esperamos desarrollar con el tiempo, por lo que si miramos a una estrella distante, correspondiente a los tiempos más tempranos de la historia del Universo, tenderemos a tener más baja metalicidad”, dijo Kasen. “Cuando calculamos el efecto de esto en nuestros modelos, encontramos que los errores resultantes de las mediciones de distancias serían del orden del 2% o menores”.
Los estudios futuros, usando simulaciones por computadora, permitirán a los investigadores caracterizar los efectos de tales variaciones con mayor detalle y limitar su impacto en futuros experimentos de la energía oscura, los cuales podrían requerir un nivel de precisión que harían inaceptables los errores del orden del 2%.
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Etiquetas: energía oscura, estrellas, expansión del Universo, supernova
