Nel 1929 Edwin Hubble sorprese molte persone, incluso Albert Einstein, quando mostrò che l'universo si sta espandendo. Un'altra bomba è arrivata nel 1998 quando due squadre di astronomi hanno dimostrato che l'espansione cosmica sta effettivamente accelerando a causa di una misteriosa proprietà dello spazio chiamata energia oscura. Questa scoperta ha fornito la prima prova di quello che oggi è il modello regnante dell'universo:"Lambda-CDM, " che dice che il cosmo è circa il 70% di energia oscura, Il 25% di materia oscura e il 5% di materia "normale" (tutto ciò che abbiamo mai osservato).

Fino al 2016, Lambda-CDM concordava magnificamente con decenni di dati cosmologici. Quindi un team di ricerca ha utilizzato il telescopio spaziale Hubble per effettuare una misurazione estremamente precisa del tasso di espansione cosmica locale. Il risultato è stato un'altra sorpresa:i ricercatori hanno scoperto che l'universo si stava espandendo un po' più velocemente del Lambda-CDM e del Cosmic Microwave Background (CMB), radiazioni reliquie del Big Bang, previsto. Quindi sembra che ci sia qualcosa che non va:questa discrepanza potrebbe essere un errore sistematico, o forse nuova fisica?

Gli astrofisici del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'Istituto di Cosmologia e Gravitazione dell'Università di Portsmouth nel Regno Unito ritengono che le supernovae di tipo Ia fortemente lente siano la chiave per rispondere a questa domanda. E in un nuovo Giornale Astrofisico carta, descrivono come controllare "microlensing, " un effetto fisico che molti scienziati ritenevano sarebbe stato una delle principali fonti di incertezza di fronte a queste nuove sonde cosmiche. Mostrano anche come identificare e studiare questi rari eventi in tempo reale.

"Da quando è uscito il risultato della CMB che ha confermato l'accelerazione dell'universo e l'esistenza della materia oscura, i cosmologi hanno cercato di effettuare misurazioni sempre migliori dei parametri cosmologici, ridurre le barre di errore, "dice Peter Nugent, un astrofisico nel Centro di cosmologia computazionale del Berkeley Lab (C3) e coautore dell'articolo. "Le barre di errore ora sono così piccole che dovremmo essere in grado di dire 'questo e questo sono d'accordo, ' quindi i risultati presentati nel 2016 hanno introdotto una grande tensione in cosmologia. Il nostro documento presenta un percorso per determinare se l'attuale disaccordo è reale o se si tratta di un errore".

Migliori indicatori di distanza diffondono una luce più brillante sulla storia cosmica

Più un oggetto è lontano nello spazio, più tempo impiega la sua luce per raggiungere la Terra. Quindi più lontano guardiamo, più indietro nel tempo vediamo. Per decenni, Le supernove di tipo Ia sono state eccezionali indicatori di distanza perché sono straordinariamente luminose e simili in luminosità, non importa dove si trovino nel cosmo. Guardando questi oggetti, gli scienziati hanno scoperto che l'energia oscura sta spingendo l'espansione cosmica.

Ma l'anno scorso un team internazionale di ricercatori ha trovato un indicatore di distanza ancora più affidabile:la prima supernova di tipo Ia con lenti potenti. Questi eventi si verificano quando il campo gravitazionale di un oggetto massiccio, come una galassia, si piega e rifocalizza la luce che passa da un evento di tipo Ia dietro di esso. Questa "lente gravitazionale" fa sì che la luce della supernova appaia più luminosa e talvolta in più posizioni, se i raggi di luce percorrono percorsi diversi attorno all'oggetto massiccio.

Poiché diversi percorsi attorno all'oggetto massiccio sono più lunghi di altri, la luce proveniente da diverse immagini dello stesso evento di Tipo Ia arriverà in momenti diversi. Tracciando il ritardo temporale tra le immagini fortemente lente, gli astrofisici credono di poter ottenere una misurazione molto precisa del tasso di espansione cosmica.

"Le supernove con lenti forti sono molto più rare delle supernove convenzionali:sono una su 50, 000. Sebbene questa misurazione sia stata proposta per la prima volta negli anni '60, non è mai stato realizzato perché fino ad oggi sono state scoperte solo due supernovae a forte lente, nessuno dei quali era suscettibile di ritardare le misurazioni, "dice Danny Goldstein, uno studente laureato alla UC Berkeley e autore principale del nuovo Giornale Astrofisico carta.

Dopo aver eseguito una serie di simulazioni computazionalmente intensive della luce di supernova presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una struttura per l'utente dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia situata presso il Berkeley Lab, Goldstein e Nugent sospettano di poter trovare circa 1, 000 di queste supernovae di tipo Ia fortemente lente nei dati raccolti dal prossimo Large Synoptic Survey Telescope (LSST) – circa 20 volte di più rispetto alle precedenti aspettative. Questi risultati sono alla base del loro nuovo articolo nel Giornale Astrofisico .

"Con tre quasar con lenti - fari cosmici emanati da enormi buchi neri al centro delle galassie - i collaboratori e io abbiamo misurato il tasso di espansione con una precisione del 3,8%. Abbiamo ottenuto un valore superiore alla misurazione CMB, ma abbiamo bisogno di più sistemi per essere veramente sicuri che qualcosa non va con il modello standard della cosmologia, "dice Thomas Collett, un astrofisico presso l'Università di Portsmouth e coautore del nuovo Giornale Astrofisico carta. "Possono volerci anni per ottenere una misurazione del ritardo temporale con i quasar, ma questo lavoro mostra che possiamo farlo per le supernove in mesi. Mille supernovae con lenti ci permetteranno davvero di inchiodare la cosmologia".

Oltre a identificare questi eventi, le simulazioni NERSC li hanno anche aiutati a dimostrare che le supernove di tipo Ia con lenti fortemente ottiche possono essere sonde cosmologiche molto accurate.

"Quando i cosmologi cercano di misurare i ritardi temporali, il problema che incontrano spesso è che le singole stelle nella galassia lensing possono distorcere le curve di luce delle diverse immagini dell'evento, rendendo più difficile abbinarli, " dice Goldstein. "Questo effetto, noto come "microlente", ' rende più difficile misurare con precisione i ritardi temporali, che sono essenziali per la cosmologia."

Ma dopo aver eseguito le loro simulazioni, Goldstein e Nugent hanno scoperto che il microlensing non ha cambiato i colori delle supernova di tipo Ia fortemente lente nelle loro prime fasi. Così i ricercatori possono sottrarre gli effetti indesiderati del microlensing lavorando con i colori invece che con le curve di luce. Una volta sottratti questi effetti indesiderati, gli scienziati saranno in grado di abbinare facilmente le curve di luce e di effettuare misurazioni cosmologiche accurate.

Sono giunti a questa conclusione modellando le supernove usando il codice SEDONA, che è stato sviluppato con il finanziamento di due DOE Scientific Discovery through Advanced Computing (SciDAC) Institutes per calcolare le curve di luce, spettri e polarizzazione di modelli di supernova asferiche.

"Nei primi anni 2000 il DOE ha finanziato due progetti SciDAC per studiare le esplosioni di supernovae, fondamentalmente abbiamo preso l'output di quei modelli e li abbiamo passati attraverso un sistema di lenti per dimostrare che gli effetti sono acromatici, "dice Nugent.

"Le simulazioni ci danno un'immagine abbagliante del funzionamento interno di una supernova, con un livello di dettaglio che altrimenti non potremmo mai conoscere, "dice Daniel Kasen, un astrofisico della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab, e un coautore sul documento. "I progressi nel calcolo ad alte prestazioni ci stanno finalmente permettendo di comprendere la morte esplosiva delle stelle, e questo studio mostra che tali modelli sono necessari per scoprire nuovi modi per misurare l'energia oscura".

Portare la caccia alla supernova all'estremo

Quando LSST inizierà le operazioni di rilevamento completo nel 2023, sarà in grado di scansionare l'intero cielo in sole tre notti dal suo posatoio sulla cresta del Cerro Pachón nel Cile centro-settentrionale. Nei suoi 10 anni di missione, Si prevede che LSST fornisca oltre 200 petabyte di dati. Come parte della collaborazione LSST Dark Energy Science, Nugent e Goldstein sperano di poter eseguire alcuni di questi dati attraverso una nuova pipeline di rilevamento di supernovae, con sede presso NERSC.

Da più di un decennio, La pipeline di rilevamento dei transitori in tempo reale di Nugent in esecuzione al NERSC ha utilizzato algoritmi di apprendimento automatico per setacciare le osservazioni raccolte dal Palomar Transient Factor (PTF) e quindi dall'Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF) - cercando ogni notte oggetti "transitori" che cambiano in luminosità o posizione confrontando le nuove osservazioni con tutti i dati raccolti dalle notti precedenti. Pochi minuti dopo la scoperta di un evento interessante, le macchine del NERSC attivano quindi i telescopi in tutto il mondo per raccogliere osservazioni di follow-up. Infatti, è stato questo gasdotto che ha rivelato la prima supernova di tipo Ia con lenti forti all'inizio di quest'anno.

"Quello che speriamo di fare per la LSST è simile a quello che abbiamo fatto per Palomar, ma per 100, " dice Nugent. "Ci sarà una marea di informazioni ogni notte da LSST. Vogliamo prendere quei dati e chiedere cosa sappiamo di questa parte del cielo, cosa è successo prima ed è qualcosa che ci interessa per la cosmologia?"

Aggiunge che una volta che i ricercatori identificano la prima luce di un evento di supernova fortemente illuminato, la modellazione computazionale potrebbe anche essere utilizzata per prevedere con precisione quando apparirà la prossima luce. Gli astronomi possono utilizzare queste informazioni per attivare i telescopi terrestri e spaziali per seguire e catturare questa luce, essenzialmente permettendo loro di osservare una supernova pochi secondi dopo che si è spenta.

"Sono venuto al Berkeley Lab 21 anni fa per lavorare sulla modellazione del trasferimento radiativo di supernova e ora per la prima volta abbiamo usato questi modelli teorici per dimostrare che possiamo fare meglio la cosmologia, " afferma Nugent. "È emozionante vedere il DOE raccogliere i benefici degli investimenti nella cosmologia computazionale che hanno iniziato a fare decenni fa".