Las mejores candelas estándar de la cosmología mejoran aún más

Un nuevo método simple estandariza el brillo de las supernovas de Tipo 1a

Los miembros de la Fábrica de Supernovas Cercanas (SNfactory), una colaboración internacional entre el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los Estados Unidos, un consorcio de laboratorios franceses y la Universidad de Tale, han encontrado una nueva técnica que establece el brillo intrínseco de una supernova de Tipo 1a con mayor precisión que nunca antes. Estas estrellas en explosión son las mejores candelas estándar para medir distancias cósmicas, las herramientas que hicieron posible en descubrimiento de la energía oscura.

El Espectrógrafo de Campo Integral SuperNova (SNIFS) fue diseñado e integrado por los colaboradores de SNfactory con sede en la Universidad Pierre y Marie Curie (UPMC) en París y la Universidad de Lyon. Montado sobre el telescopio de Mauna Kea de 2,2 metros de la Universidad de Hawai, SNIFS integra la información espectral y de brillo a partir de numerosas regiones en imágenes compuestas para cada supernova y su galaxia madre.

El miembro de SNfactory Stephen Bailey, anteriormente en el Laboratorio Berkeley y ahora en el Laboratorio de Física Nuclear y de Alta Energía (LPNHE) en París, Francia, buscó los espectros de 58 supernova de Tipo 1a en el conjunto de datos de SNfactory y encontró una razón espectroscópica clave. Simplemente midiendo la razón del flujo (la potencia visible, o brillo) entre dos regiones específicas del espectro de supernovas de Tipo 1a tomados en una única noche, de tal forma de la distancia de las supernovas puede determinarse con menos de un 6 por ciento de incertidumbre.

La nueva corrección de la razón de brillo parece mantenerse sin importar la edad o metalicidad (mezcla de elementos) de la supernova, su tipo de galaxia madre, o cuánto se ha atenuado por el polvo intermedio.

Usando métodos clásicos, los cuales están basados en el color de la supernova y forma de su curva de luz – el tiempo que necesita para llegar a su brillo máximo y luego apagarse – puede medirse la distancia a la supernova Tipo 1a con una incertidumbre típica de un 8 a un 10 por ciento. Pero obtener una curva de luz lleva dos meses de observaciones precisas. El nuevo método proporciona una corrección mucho mejor con un espectro completo de una única noche, el cual puede ser programado basándose en una curva de luz mucho menos precisa.

La SNfactory describe el descubrimiento de la nueva técnica de estandarización en un artículo del próximo ejemplar de Astronomy & Astrophysics, actualmente disponible on-line en http://arxiv.org/abs/0905.0340.

Una incalculable colección de luz

Bailey dice que la biblioteca de SNfactory de espectros de alta calidad se lo que ha hecho posible estos exitosos resultados. “Cada imagen de supernova de SNfactory toma un espectro completo”, dice. “Nuestro conjunto de datos es, de lejos, la mayor colección del mundo de series síncronas excelentes de Tipo 1ª, con un total de unos 2500 espectros”.

El factor de estandarización más preciso que encontró Bailey fue la razón entre la longitud de onda de 642 nanómetros, en la parte rojo-naranja del espectro, y la longitud de onda de 443 nanómetros, en la parte azul-púrpura del espectro. En su análisis no hizo suposiciones sobre el posible significado físico de estas características espectrales. No obstante, reveló múltiples razones de brillo que fueron capaces de mejorar la estandarización sobre los actuales métodos aplicados a las mismas supernovas.

El cosmólogo Greg Aldering de la División de Física del Laboratorio Berkeley, fundador y líder de SNfactory, dice: “Este es un ejemplo de para qué diseñamos exactamente SNFactory. La aproximación agnóstica de Stephen – ‘No sé lo que son estas razones, pero tal vez podamos usarlas para la estandarización’ – subraya el papel vital de la espectrometría detallada en descubrimientos de significado cósmico”.

El mimebro de SNfactory Rollin Thomas de la División de Investigación Computacional del Laboratorio Berkeley, que analiza la física de las supernovas, dice: “Aunque la luminosidad de una supernova de Tipo 1a efectivamente depende de sus características físicas, también depende del polvo intermedio. La razón 642/443 alinea de cierta forma estos dos factores, y no es la única razón que lo hace. Es como si la supernova nos estuviese diciendo cómo medirla”.

El SNfactory primero encuentra un candidato de supernova Tipo 1a usando una cámara CCD gran angular desarrollada y manejada por sus colaboradores de la Universidad de Yale, entonces toma imágenes espectrales de candidatos prometedores con el telescopio de 2,2 metros de la Universidad de Hawai en Mauna Kea. El telescopio está equipado con el Espectrógrafo de Campo Integral SuperNova (SNIFS), un instrumento diseñado e integrado por un consorcio francés de investigadores con sede en la Universidad Pierre y Marie Curie (UPMC) en París y la Universidad de Lyon, afiliados al Instituto Nacional de Física Nuclear y Física de Partículas (IN2P3) y el Instituto Nacional de Ciencias del Universo (INSU), ambos del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS).

Aldering dice: “La espectrometría de Tipo 1a se realiza mayormente para saber si una supernova es en realidad de Tipo 1a. A menudo se realiza con un espectrómetro de rendija que pierde gran cantidad de luz en algunas longitudes de onda o con fotometría filtrada que selecciona ciertos colores. Con SNIFS, logramos tener toda la luz. El análisis de Stephen se realizó con brillos que sabía que eran correctos en todas las longitudes de onda”.

Debido a que el conjunto de datos era lo bastante grande, la búsqueda de las razones clave de longitudes de onda podría hacerse usando procedimientos estadísticos que no siempre están disponibles para un campo en el que, en palabras de Thomas, “a menudo carece de datos”. Los investigadores de SNfactory fueron capaces de seleccionar 58 supernovas cuyos desplazamientos al rojo no estaban corrompidas por el movimiento aleatorio de sus galaxias madre, todos los cuales se realizaron entre dos días y dos días y medio desde su máximo brillo en su propia vecindad.

Bailey explica que, para eliminar sesgos, la búsqueda de las razones que mejor de correlacionaban con las magnitudes absolutas (brillo estandarizado) comenzó con un conjunto de “entrenamiento” de 28 supernovas en la muestra. Las cinco mejores razones de la muestra de entrenamiento se aplicaron entonces a las restantes 30 supernovas en la muestra de “validación”. La correlación entre ambos conjuntos de datos era consistente y muy fuerte.

“Los astrónomos han buscado características espectrales que podrían usarse para corregir magnitudes observadas antes”, dice Bailey, “pero sus búsquedas tienden a concentrarse en una característica física conocida, por ejemplo una línea de azufre o silicio. En la física de alta energía, el campo en el que estudié, a menudo tenemos que tratar con descomunales conjuntos de datos y se busca lo que podamos encontrar. Decidí no hacer suposiciones físicas sobre el conjunto de datos de SNfactory pero sólo para ver lo que los espectros podían decirme por sí mismos”.

La punta del iceberg cósmico

El miembro de SNfactory Yannick Copin del Instituto de Física Nuclear de Lyon (IPNL), que está visitando la División de Física con una Beca de Investigación Chrétien de la Sociedad Astronómica Americana y que es especialista en espectrometría de campo integral, dice: “Estos son los primeros resultados generales en cosmología a partir de una gran muestra de espectro completo obtenido por SNIFS, pero sólo son la punta del iceberg. Esto demuestra que podemos hacer mucho más en la cosmología con las series síncronas espectrales de lo que nunca antes pensamos. Un universo de posibilidades se abre ante nosotros”.

La energía oscura se descubrió creando un diagrama de Hubble, un gráfico que compara la distancia y desplazamiento al rojo de unas pocas docenas de supernovas de Tipo 1a. Usando la corrección de la razón de brillo, los investigadores de SNfactory han encajado las supernovas estandarizadas en un diagrama de Hubble con mucha menos dispersión (incertidumbre) que el método clásico. El nuevo diagrama de Hubble de SNfactory tiene la menor dispersión de datos jamás publicada para una muestra tan grande y diversa.

Aldering comenta: “Justo ahora las principales cuestiones en el uso de las supernovas de Tipo 1a para estudiar la expansión del universo son cosmología básica – reafirmar el diagrama de Hubble y reducir los errores sistemáticos – la física de las supernovas, y la comprensión del papel del polvo intermedio. La nueva corrección de la razón de brillo será una herramienta principal para reafirmar el diagrama de Hubble. A su vez, realmente estrecha lo que queda por explicarse sobre la sistemática”.

Saul Permutter, cofundador de SNfactory y líder del Proyecto Cosmología de Supernovas, el cual desarrolló los métodos para encontrar supernovas de Tipo 1a que llevaron al descubrimiento de la energía oscura, dice: “Nuestro objetivo desde hace tiempo ha sido hacer uso de toda la información que nos da una supernova sobre su condición física cuando brilla y se apaga, y logramos ver cada vez más profundamente en su atmósfera. Finalmente construimos un conjunto de datos con el tamaño y calidad que nos permitió hacer esto. Estos espectros abren la posibilidad de muchos nuevos tipos de medidas desde tierra y el espacio”.

El excepcional conjunto de datos le debe mucho a una beca de la Fundación Gordon y Betty Moore de San Francisco, la cual ha patrocinado el desarrollo del catalogo de alta calidad de SNfactory sobre brillos y espectros de supernovas cercanas desde 2004. También de crítica importancia fue la transmisión de enormes cantidades de datos de búsquedas de supernova, posibles gracias a la Red de Educación e Investigación de Alto Rendimiento (HPWREN).

Para el estudio de la energía oscura existe otro reto, no obstante, y es obtener un espectro completo de alta calidad de supernovas de Tipo 1a lejanas – un conjunto comparable al conjunto de datos de las supernovas “cercanas” de SNfactory. Futuras misiones espaciales o terrestres necesitarán una espectrometría tan buena como la proporcionada por el espectrógrafo SNIFS de SNfactory para reducir errores sistemáticos mano a mano con el desarrollo de estadísticas – y encontrar lo que hay en el cosmos y que nuestras suposiciones pueden estar ocultando.

Fuente | Ciencia Kanija