Vista de una supernova gravitacionalmente lente vista por el telescopio espacial James Webb.(Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (Universidad de Arizona), R. Windhorst (Universidad Estatal de Arizona), S. Cohen (Universidad Estatal de Arizona), J. D’Silva (Universidad de Australia Occidental, Perth), A. Koekemoer (Instituto Científico del Telescopio Espacial), J. Summers (Universidad Estatal de Arizona)).
Utilizando el telescopio espacial James Webb, los astrónomos han captado una impresionante imagen de una supernova distante en una galaxia que parece estirada como un caramelo caliente.
Sin embargo, la mancha dorada que oculta esta supernova con lente gravitacional, a la que se ha apodado «supernova Esperanza», no sólo destaca por su valor estético. La supernova, que explotó cuando el universo, de 13.800 millones de años de antigüedad, sólo tenía unos 3.500 millones de años, nos dice algo sobre un enorme problema de la cosmología llamado «tensión de Hubble».
La tensión de Hubble se debe a que los científicos no se ponen de acuerdo sobre el ritmo exacto de expansión del universo, dictado por la constante de Hubble. Básicamente, la velocidad puede medirse partiendo del universo local (y, por tanto, reciente) y retrocediendo en el tiempo, o bien puede calcularse partiendo del universo lejano (y, por tanto, temprano) y avanzando hacia arriba. El problema es que ambos métodos arrojan valores que no concuerdan entre sí. Aquí es donde entra en juego el telescopio espacial James Web (JWST).
Las supernovas con lente gravitacional en el cosmos temprano que el JWST está observando podrían proporcionar una tercera forma de medir la tasa, ayudando potencialmente a resolver este «problema de Hubble.»
«La supernova fue bautizada como “supernova Esperanza” ya que da esperanzas a los astrónomos para comprender mejor la cambiante tasa de expansión del universo», dijo Brenda Frye, líder del equipo de estudio e investigadora de la Universidad de Arizona, en un comunicado de la NASA.
Esta investigación de la supernova Hope comenzó cuando Frye y su equipo global de científicos encontraron tres curiosos puntos de luz en una imagen del JWST de un lejano y denso cúmulo de galaxias. Esos puntos de luz en la imagen no eran visibles cuando el telescopio espacial Hubble tomó imágenes del mismo cúmulo, conocido como PLCK G165.7+67.0 o, más simplemente, G165, allá por 2015.
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«Todo empezó con una pregunta del equipo: ‘¿Qué son esos tres puntos que antes no estaban ahí? ¿Podría ser una supernova?» afirma Frye. «Los análisis iniciales confirmaron que esos puntos correspondían a una estrella en explosión, una con cualidades poco comunes».
El espacio que rodea a G165 fue seleccionado para el programa PEARLS porque se encuentra en pleno «estallido estelar», un periodo de intensa formación estelar, y engendra 300 masas solares de estrellas al año. Estos altos índices de formación estelar están correlacionados con un mayor número de explosiones de supernovas.
Una supernova de tipo Ia se representa en esta impresión artística. (Crédito de la imagen: ESA)
Supernova Hope es un tipo específico de supernova llamada supernova de tipo Ia. Estas supernovas se producen en binarias que contienen una estrella de secuencia principal, como el Sol, y una estrella que ha agotado su combustible para la fusión nuclear y se ha convertido en una cáscara muerta, llamada enana blanca.
Si estos cuerpos estelares están lo suficientemente cerca, la estrella muerta puede actuar como un vampiro cósmico, extrayendo plasma de la estrella viva o «donante». A medida que esto sucede, el material se acumula hasta desencadenar una explosión termonuclear, explosiones que conocemos como supernovas de tipo Ia. Debido a la uniformidad de sus destellos de luz, estas supernovas son una herramienta excelente que los astrónomos pueden utilizar para medir distancias cósmicas. Por eso, los astrónomos se refieren a las supernovas de Tipo Ia como «candelas estándar».
Una forma de obtener el valor de la constante de Hubble consiste en observar las supernovas de tipo Ia en el universo local para medir su distancia a nosotros y entre ellas y, a continuación, medir la velocidad a la que se alejan. La otra técnica principal para medir la expansión del universo consiste en realizar observaciones del universo lejano y, a continuación, calcular la velocidad de expansión del cosmos por deducción.
Pero, de nuevo, estos métodos no coinciden. Sin embargo, la supernova Hope podría servir de puente entre ambas técnicas.
Einstein echa una mano
Las lentes gravitacionales son un efecto predicho en la magnífica teoría de la gravedad de Albert Einstein, creada en 1915 y denominada «relatividad general», que sugiere que los objetos con masa provocan la deformación del espaciotiempo, la unificación cuatridimensional del espacio y el tiempo, y que la gravedad surge de esta curvatura. Cuanto mayor es la masa del objeto, más extrema es la deformación del espacio y, por tanto, mayor es su influencia gravitatoria. Esto es lo que hace que las lunas orbiten planetas, los planetas orbiten estrellas y las estrellas orbiten agujeros negros supermasivos.
Esta deformación del espaciotiempo también tiene otro efecto interesante. Cuando la luz pasa junto a un objeto con una fuerte influencia deformadora, un objeto que ahora llamaremos «lente gravitatoria», la trayectoria de la luz se dobla alrededor de la deformación del objeto. La trayectoria de la luz depende de su proximidad a la lente gravitatoria.
Esto significa que la luz de un mismo objeto puede seguir trayectorias desviadas en grados y longitudes diferentes. Por lo tanto, esa luz puede llegar a telescopios como el JWST en momentos diferentes. Así es como un objeto de fondo con lente puede parecer «difuminado» como un caramelo o aparecer en varios lugares de la misma imagen.
Eso es lo que le ocurre a la supernova Hope en esta imagen cuando su luz atraviesa la lente gravitatoria G165.
Esta ilustración muestra un fenómeno conocido como lente gravitacional, que utilizan los astrónomos para estudiar galaxias muy distantes y muy débiles. (Crédito de la imagen: NASA, ESA & L. Calçada)
«Las lentes gravitacionales son importantes para este experimento. La lente, que consiste en un cúmulo de galaxias situado entre la supernova y nosotros, curva la luz de la supernova en múltiples imágenes», explicó Frye. «Esto es similar a cómo un espejo de tocador tríptico presenta tres imágenes diferentes de una persona sentada frente a él».
El investigador de la Universidad de Arizona explicó que el efecto se demostró ante los ojos del equipo en la imagen G165 del JWST, donde la imagen de la supernova del medio parecía volteada con respecto a las otras dos imágenes.
«Para conseguir tres imágenes, la luz viajó por tres caminos diferentes. Dado que cada camino tenía una longitud diferente, y la luz viajaba a la misma velocidad, la supernova fue fotografiada en esta observación del JWST en tres momentos diferentes durante su explosión», continuó Frye. «En la analogía del espejo tríptico, se produjo un retardo temporal en el que el espejo de la derecha mostraba a una persona levantando un peine, el espejo de la izquierda mostraba el cabello siendo peinado y el espejo del medio mostraba a la persona dejando el peine.
«Las imágenes triples de supernovas son especiales. Los retardos temporales, la distancia de la supernova y las propiedades de las lentes gravitacionales dan un valor para la constante de Hubble.»
Un vistazo más de cerca al caramelo galáctico que contiene tres casos de supernova Hope. (Crédito de las imágenes: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (University of Arizona), R. Windhorst (Arizona State University), S. Cohen (Arizona State University), J. D’Silva (University of Western Australia, Perth), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), J. Summers (Arizona State University)).
El equipo realizó el seguimiento de la supernova Hope con el JWST, así como con algunos instrumentos terrestres, como el telescopio MMT de 6,5 metros del monte Hopkins y el Gran Telescopio Binocular del monte Graham, ambos situados en Arizona.
Esto llevó al equipo a confirmar que la supernova Hope está anclada a una galaxia de fondo muy por detrás del cúmulo de lentes G165. La luz de la explosión cósmica ha viajado hasta la Tierra durante 10.300 millones de años, lo que significa que esta enana blanca explotó justo 3.500 millones de años después del Big Bang.
«Otro miembro del equipo realizó otra medición del retraso temporal analizando la evolución de su luz dispersada en sus colores constituyentes o “espectro” desde el JWST, confirmando la naturaleza de Tipo Ia de la supernova Hope», dijo Frye. «La supernova Hope es una de las supernovas de tipo Ia más distantes observadas hasta la fecha,»
A pesar de existir en el universo temprano, el valor de la constante de Hubble que arrojan las observaciones de la supernova Hope parece corresponderse con las mediciones de otras candelas estándar en el universo local, por lo que discrepa con las mediciones de otros objetos del universo temprano.
«Los resultados de nuestro equipo son impactantes», concluyó Frye. «El valor de la constante de Hubble coincide con otras mediciones en el universo local y está en cierta tensión con los valores obtenidos cuando el universo era joven. Las observaciones del JWST en el Ciclo 3 mejorarán las incertidumbres, permitiendo restricciones más sensibles sobre la constante de Hubble.»
La investigación del equipo está en proceso de revisión por pares antes de su publicación.
