I cosmologi hanno trovato un modo per raddoppiare l'accuratezza della misurazione delle distanze per le esplosioni di supernova, uno dei loro strumenti collaudati per studiare la misteriosa energia oscura che sta facendo espandere l'universo sempre più velocemente. I risultati della collaborazione nella vicina Supernova Factory (SNfactory), guidato da Greg Aldering del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (Berkeley Lab), consentirà agli scienziati di studiare l'energia oscura con una precisione e un'accuratezza notevolmente migliorate, e fornire un potente controllo incrociato della tecnica su grandi distanze e tempo. I risultati saranno anche fondamentali per i principali esperimenti di cosmologia imminenti che utilizzeranno nuovi telescopi terrestri e spaziali per testare spiegazioni alternative dell'energia oscura.

Due articoli pubblicati in Giornale Astrofisico riferire questi risultati, con Kyle Boone come autore principale. Attualmente borsista post-dottorato presso l'Università di Washington, Boone è un ex studente laureato del premio Nobel Saul Perlmutter, lo scienziato senior del Berkeley Lab e professore all'UC Berkeley che ha guidato una delle squadre che originariamente hanno scoperto l'energia oscura. Perlmutter è stato anche coautore di entrambi gli studi.

Le supernovae sono state usate nel 1998 per fare la sorprendente scoperta che l'espansione dell'universo sta accelerando, invece di rallentare come ci si aspettava. Questa accelerazione, attribuita all'energia oscura che costituisce i due terzi di tutta l'energia nell'universo, è stata da allora confermata da una varietà di tecniche indipendenti e da studi più dettagliati sulle supernove.

La scoperta dell'energia oscura si basava sull'utilizzo di una particolare classe di supernovae, Tipo Ia. Queste supernove esplodono sempre con quasi la stessa luminosità massima intrinseca. Poiché la massima luminosità osservata della supernova viene utilizzata per dedurre la sua distanza, le piccole variazioni rimanenti nella luminosità massima intrinseca limitavano la precisione con cui l'energia oscura poteva essere testata. Nonostante 20 anni di miglioramenti da parte di molti gruppi, gli studi sulle supernove dell'energia oscura sono rimasti fino ad ora limitati da queste variazioni.

Quadruplicare il numero di supernove

I nuovi risultati annunciati dalla SNfactory provengono da uno studio pluriennale dedicato interamente ad aumentare la precisione delle misurazioni cosmologiche effettuate con le supernove. La misurazione dell'energia oscura richiede il confronto delle luminosità massime delle supernove distanti miliardi di anni luce con quelle delle supernove vicine distanti "solo" 300 milioni di anni luce. Il team ha studiato centinaia di queste supernove vicine nei minimi dettagli. Ogni supernova è stata misurata un numero di volte, ad intervalli di pochi giorni. Ogni misurazione ha esaminato lo spettro della supernova, registrando la sua intensità attraverso la gamma di lunghezze d'onda della luce visibile. Uno strumento su misura per questa indagine, lo spettrometro a campo integrale SuperNova, installato presso il telescopio da 2,2 metri dell'Università delle Hawaii a Maunakea, è stato utilizzato per misurare gli spettri.

"Abbiamo da tempo l'idea che se la fisica dell'esplosione di due supernove fosse la stessa, la loro luminosità massima sarebbe la stessa. Usando gli spettri della vicina fabbrica di supernovae come una specie di TAC attraverso l'esplosione della supernova, potremmo testare questa idea, " disse Perlmutter.

Infatti, diversi anni fa, il fisico Hannah Fakhouri, poi uno studente laureato che lavora con Perlmutter, ha fatto una scoperta chiave per i risultati di oggi. Guardando una moltitudine di spettri presi dalla SNfactory, ha scoperto che in un certo numero di casi, gli spettri di due diverse supernove sembravano quasi identici. Tra le circa 50 supernovae, alcuni erano gemelli praticamente identici. Quando gli spettri sinuosi di una coppia di gemelli furono sovrapposti, per l'occhio c'era solo una traccia singola. L'analisi attuale si basa su questa osservazione per modellare il comportamento delle supernove nel periodo vicino al momento della loro massima luminosità.

Il nuovo lavoro quasi quadruplica il numero di supernove utilizzate nell'analisi. Ciò ha reso il campione abbastanza grande da applicare tecniche di apprendimento automatico per identificare questi gemelli, portando alla scoperta che gli spettri di supernova di tipo Ia variano solo in tre modi. Anche le luminosità intrinseche delle supernove dipendono principalmente da queste tre differenze osservate, rendendo possibile misurare le distanze di supernova con la notevole precisione di circa il 3%.

Altrettanto importante, questo nuovo metodo non soffre dei pregiudizi che hanno assillato i metodi precedenti, visto quando si confrontano le supernove trovate in diversi tipi di galassie. Poiché le galassie vicine sono in qualche modo diverse da quelle lontane, c'era una seria preoccupazione che tale dipendenza avrebbe prodotto false letture nella misurazione dell'energia oscura. Ora questa preoccupazione può essere notevolmente ridotta misurando supernove distanti con questa nuova tecnica.

Nel descrivere questo lavoro, Boone ha notato, "La misurazione convenzionale delle distanze delle supernova utilizza curve di luce:le immagini scattate in diversi colori mentre una supernova si illumina e sbiadisce. Invece, abbiamo usato uno spettro di ogni supernova. Questi sono molto più dettagliati, e con le tecniche di apprendimento automatico è stato quindi possibile discernere il comportamento complesso che era la chiave per misurare distanze più accurate".

I risultati degli articoli di Boone andranno a beneficio di due prossimi importanti esperimenti. Il primo esperimento sarà all'Osservatorio Rubin di 8,4 metri, in costruzione in Cile, con la sua Legacy Survey of Space and Time, un progetto congiunto del Dipartimento di Energia e della National Science Foundation. Il secondo è il prossimo telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA. Questi telescopi misureranno migliaia di supernovae per migliorare ulteriormente la misurazione dell'energia oscura. Saranno in grado di confrontare i loro risultati con misurazioni effettuate utilizzando tecniche complementari.

ontano, anche co-autore degli articoli, osservato che "non solo questa tecnica di misurazione della distanza è più accurata, richiede solo un singolo spettro, scattata quando una supernova è più brillante e quindi più facile da osservare:un punto di svolta!" Avere una varietà di tecniche è particolarmente prezioso in questo campo in cui i preconcetti si sono rivelati sbagliati e la necessità di una verifica indipendente è alta.