Il prossimo telescopio spaziale romano Nancy Grace della NASA vedrà migliaia di stelle esplodere chiamate supernovae attraverso vasti tratti di tempo e spazio. Utilizzando queste osservazioni, gli astronomi mirano a far luce su diversi misteri cosmici, fornendo una finestra sul passato remoto e sul presente nebuloso dell'universo.

Il sondaggio sulla supernova di Roman aiuterà a chiarire le misurazioni contrastanti di quanto velocemente l'universo si sta attualmente espandendo, e persino fornire un nuovo modo per sondare la distribuzione della materia oscura, che è rilevabile solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. Uno degli obiettivi scientifici primari della missione prevede l'utilizzo delle supernova per aiutare a definire la natura dell'energia oscura, l'inspiegabile pressione cosmica che sta accelerando l'espansione dell'universo.

Il più grande mistero dello spazio

"L'energia oscura costituisce la maggior parte del cosmo, ma in realtà non sappiamo cosa sia, " ha detto Jason Rhodes, un ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California. "Restringendo le possibili spiegazioni, Roman potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dell'universo e l'energia oscura è solo uno dei tanti argomenti che la missione esplorerà!"

Roman utilizzerà diversi metodi per indagare sull'energia oscura. Uno consiste nell'osservare il cielo alla ricerca di un tipo speciale di stella che esplode, chiamata supernova di tipo Ia.

Molte supernove si verificano quando le stelle massicce esauriscono il carburante, crollano rapidamente sotto il loro stesso peso, per poi esplodere a causa di forti onde d'urto che fuoriescono dai loro interni. Queste supernove si verificano circa una volta ogni 50 anni nella nostra galassia della Via Lattea. Ma le prove mostrano che le supernove di tipo Ia provengono da alcuni sistemi stellari binari che contengono almeno una nana bianca, la piccola, nucleo caldo residuo di una stella simile al Sole. Le supernove di tipo Ia sono molto più rare, accade circa una volta ogni 500 anni nella Via Lattea.

In alcuni casi, il nano può sottrarre materiale al suo compagno. Questo alla fine innesca una reazione incontrollata che fa esplodere il ladro una volta raggiunto un punto specifico in cui ha guadagnato così tanta massa da diventare instabile. Gli astronomi hanno anche trovato prove a sostegno di un altro scenario, coinvolgendo due nane bianche che si muovono a spirale l'una verso l'altra fino a fondersi. Se la loro massa combinata è abbastanza alta da portare all'instabilità, essi, pure, può produrre una supernova di tipo Ia.

Queste esplosioni raggiungono un picco simile, luminosità intrinseca nota, realizzare le supernove di tipo Ia, le cosiddette candele standard, oggetti o eventi che emettono una specifica quantità di luce, permettendo agli scienziati di trovare la loro distanza con una formula semplice. A causa di ciò, gli astronomi possono determinare la distanza delle supernove semplicemente misurando quanto luminose appaiono.

Gli astronomi useranno Roman anche per studiare la luce di queste supernovae per scoprire quanto velocemente sembrano allontanarsi da noi. Confrontando la velocità con cui si stanno allontanando a distanze diverse, gli scienziati tracceranno l'espansione cosmica nel tempo. Questo ci aiuterà a capire se e come l'energia oscura è cambiata nel corso della storia dell'universo.

"Alla fine degli anni '90, gli scienziati hanno scoperto che l'espansione dell'universo stava accelerando usando dozzine di supernovae di tipo Ia, " ha detto Daniel Scolnic, un assistente professore di fisica alla Duke University di Durham, Carolina del Nord, che sta aiutando a progettare l'indagine sulle supernovae di Roman. "Romano li troverà a migliaia, e molto più lontano della maggior parte di quelli che abbiamo visto finora."

Le precedenti indagini sulle supernovae di tipo Ia si sono concentrate sull'universo relativamente vicino, in gran parte a causa dei limiti dello strumento. La visione a infrarossi di Roman, campo visivo gigantesco, e la squisita sensibilità estenderà notevolmente la ricerca, tirando le tende cosmiche abbastanza lontano da consentire agli astronomi di individuare migliaia di supernove di tipo Ia distanti.

La missione studierà in dettaglio l'influenza dell'energia oscura su più della metà della storia dell'universo, quando aveva tra i quattro e i 12 miliardi di anni. L'esplorazione di questa regione relativamente inesplorata aiuterà gli scienziati ad aggiungere pezzi cruciali al puzzle dell'energia oscura.

"Le supernove di tipo Ia sono tra le più importanti sonde cosmologiche che abbiamo, ma sono difficili da vedere quando sono lontani, "Scolnic ha detto. "Abbiamo bisogno di misurazioni estremamente precise e di uno strumento incredibilmente stabile, che è esattamente ciò che Roman fornirà."

Hubble costante tumulto

Oltre a fornire un controllo incrociato con le altre indagini sull'energia oscura della missione, Le osservazioni della supernova di tipo Ia di Roman potrebbero aiutare gli astronomi a esaminare un altro mistero. Continuano a emergere discrepanze nelle misurazioni della costante di Hubble, che descrive la velocità con cui l'universo si sta attualmente espandendo.

Previsioni basate sui dati dell'universo primordiale, da circa 380, 000 anni dopo il big bang, indicano che il cosmo dovrebbe attualmente espandersi a circa 42 miglia al secondo (67 chilometri al secondo) per ogni megaparsec di distanza (un megaparsec è circa 3,26 milioni di anni luce). Ma le misurazioni dell'universo moderno indicano un'espansione più rapida, tra circa 43 e 47 miglia al secondo (da 70 a 76 chilometri al secondo) per megaparsec.

Roman aiuterà esplorando diverse potenziali fonti di queste discrepanze. Some methods to determine how fast the universe is now expanding rely on type Ia supernovae. While these explosions are remarkably similar, which is why they're valuable tools for gauging distances, small variations do exist. Roman's extensive survey could improve their use as standard candles by helping us understand what causes the variations.

The mission should reveal how the properties of type Ia supernovae change with age, since it will view them across such a vast sweep of cosmic history. Roman will also spot these explosions in various locations in their host galaxies, which could offer clues to how a supernova's environment alters its explosion.

Illuminating dark matter

In a 2020 paper, a team led by Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, California, showed that astronomers will be able to glean even more cosmic information from Roman's supernova observations.

"Roman will have to look through enormous stretches of the universe to see distant supernovae, " said Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC and a co-author of the study. "A lot can happen to light on such long journeys across space. We've shown that we can learn a lot about the structure of the universe by analyzing how light from type Ia supernovae has been bent as it traveled past intervening matter."

Anything with mass warps the fabric of space-time. Light travels in a straight line, but if space-time is bent—which happens near massive objects—light follows the curve. When we look at distant type Ia supernovae, the warped space-time around intervening matter—such as individual galaxies or clumps of dark matter—can magnify the light from the more distant explosion.

By studying this magnified light, scientists will have a new way to probe how dark matter is clustered throughout the universe. Learning more about the matter that makes up the cosmos will help scientists refine their theoretical model of how the universe evolves.

By charting dark energy's behavior across cosmic history, homing in on how the universe is expanding today, and providing more information on mysterious dark matter, the Roman mission will deliver an avalanche of data to astronomers seeking to solve these and other longstanding problems. With its ability to help solve so many cosmic mysteries, Roman will be one of the most important tools for studying the universe we've ever built.

The Nancy Grace Roman Space Telescope is managed at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, with participation by NASA's Jet Propulsion Laboratory and Caltech/IPAC in Southern California, the Space Telescope Science Institute in Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.