La variabilidad de las supernovas tipo Ia tiene implicaciones para los estudios de energía oscura
Escrito por Kanijo en Astronomía
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| Esta imagen basada en una simulación por ordenador de una supernova de tipo Ia muestra la llamarada turbulenta y asimétrica de un estallido termonuclear desatado que consume la estrella enana blanca. Imagen por F. Ropke. |
Las explosiones estelares conocidas como supernovas de tipo Ia se han usado durante mucho tiempo como “candelas estándar”, su brillo uniforme da a los astrónomos una forma de medir distancias cósmicas y la expansión del universo. Pero un nuevo estudio publicado esta semana en la revista Nature revela fuentes de variabilidad en las supernovas de tipo Ia que tendrán que ser tomadas en cuenta si los astrónomos quieren usarlas para medidas más precisas en el futuro.
El descubrimiento de la energía oscura, una misteriosa fuerza que acelera la expansión del universo, se basa en las observaciones de las supernovas de tipo Ia. Pero para estudiar la naturaleza de la energía oscura y determinar si es constante o variable en el tiempo, los científicos tendrán que medir distancias cósmicas con una precisión mucho mayor de lo que lo han hecho en el pasado.
“Cuando comencemos la próxima generación de experimentos cosmológicos, querremos usar las supernovas de tipo Ia como medidas de distancia muy sensibles”, dijo el autor principal Daniel Kasen, miembro posdoctoral de Hubble en la Universidad de California en Santa Cruz. “Sabemos que no todas tienen el mismo brillo, y tenemos formas de corregirlo, pero necesitamos saber si hay diferencias sistemáticas que sesgarían las medidas de distancia. Por lo que este estudio exploró qué causa esas diferencias en el brillo”.
Kasen y sus coautores — Fritz Röpke del Instituto Max Planck para Astrofísica en Garching, Alemania, y Stan Woosley, profesor de astronomía y astrofísica en la UC en Santa Cruz—usaron supercomputadores para ejecutar docenas de simulaciones de supernovas de tipo Ia. Los resultados indican que gran parte de la diversidad observada en estas supernovas se debe a la naturaleza caótica de los procesos implicados y a la asimetría resultante de las explosiones.
Para la mayor parte, esta variabilidad no produciría errores sistemáticos en los estudios de medidas dado que los investigadores usan u gran número de observaciones y aplican correcciones estándar, dijo Kasen. El estudio encontró un pequeño pero preocupante efecto que podría dar como resultado diferencias sistemáticas en la composición química de las estrellas en distintas etapas de la historia del universo. Pero los investigadores pueden usar los modelos por ordenador para caracterizar más este efecto y desarrollar correcciones para el mismo.
“Dado que estamos comenzando a comprender cómo funcionan las supernovas de tipo Ia a partir de sus principios básicos, estos modelos pueden usarse para refinar nuestra estimación de distancia y hacer medidas del índice de expansión del universo de forma más precisa”, dijo Woosley.
Una supernova de tipo Ia tiene lugar cuando una estrella enana blanca adquiere una masa adicional absorbiendo materia de una estrella compañera. Cuando alcanza una masa crítica – 1,4 veces la masa del Sol, compactada en un objeto del tamaño de la Tierra – el calor y presión del centro de la estrella disparan una reacción nuclear de fusión desbocada, y la enana blanca estalla. Dado que las condiciones iniciales son aproximadamente las mismas en todos los casos, las supernovas tienden a tener la misma luminosidad, y sus “curvas de luz” (cómo cambia la luminosidad con el tiempo) son predecibles.
Algunas son intrínsecamente más brillantes que otras, pero se iluminan y apagan más lentamente, y su correlación entre el brillo y la anchura de la curva de luz permite a los astrónomos aplicar correcciones para estandarizar sus observaciones. Por lo que los astrónomos pueden medir la curva de luz de una supernova de tipo Ia, calcular su brillo intrínseco, y entonces determinar cómo de lejos está, dado que el brillo aparente disminuye con la distancia (igual que una vela parece más tenue en la lejanía que una que está más cerca).
Los modelos por ordenador usados para simular estas supernovas en el nuevo estudio se basan en la actual comprensión teórica de cómo y dónde se inicia el proceso de ignición dentro de la enana blanca y dónde empieza la transición de la combustión de quemado lento a la detonación explosiva.
“Dado que la ignición no tiene lugar en un punto muerto, y que la detonación sucede primero en un punto cerca de la superficie de la enana blanca en explosión, las explosiones resultantes no son esféricamente simétricas”, explicó Woosley. “Esto podría estudiarse adecuadamente sólo usando cálculos multidimensionales”.
La mayor parte de estudios anteriores han usado modelos unidimensionales en los que la explosión simulada es esféricamente simétrica. Las simulaciones multidimensionales requieren mucha más potencia de cálculo, por lo que el grupo de Kasen ejecutó la mayor parte de sus simulaciones en la potente supercomputadora Jaguar en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, y también usó supercomputadores del Centro de Nacional de Cálculo de Investigación en Energía en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Se informa de los resultados de modelos bidimensionales en el artículo de Nature, y los estudios tridimensionales están actualmente en proceso.
Las simulaciones demostraron que la asimetría de las explosiones es un factor clave para determinar el brillo de una supernova de tipo Ia. “La razón de que estas supernovas son tengan todas el mismo brillo está estrechamente vinculada a la ruptura de la simetría esférica”, dijo Kasen.
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| En esta imagen de una simulación por ordenador, los restos de una explosión de supernova tipo Ia muestran las subestructuras asimétricas que se desarrollan a partir de la turbulenta llamarada que consume la estrella enana blanca. Los colores representan distintos elementos sintetizados en la explosión (por ejemplo, rojo=níquel-56). Imagen por D. Kasen et al. |
La fuente predominante de variabilidad es la síntesis de nuevos elementos durante las explosiones, la cual es sensible a diferencias en la geometría de las primeras chipas que encienden una reacción termonuclear desatada en el núcleo de la enana blanca. El níquel-56 es especialmente importante, debido a que el decaimiento radiactivo de este imparable isótopo crea el resplandor que los astrónomos observan durante meses o incluso años tras la explosión.
“El decaimiento del níquel-56 es lo que alimenta la curva de luz. La explosión termina en cuestión de segundos, por tanto lo que vemos es el resultado de cómo el níquel calienta los restos y cómo los escombros irradian luz”, dijo Kasen.
Kasen desarrolló el código para simular este proceso de transferencia radiativa, usando una salida de las explosiones simuladas para producir visualizaciones que pueden compararse directamente con observaciones astronómicas de las supernovas.
Las buenas noticias son que la variabilidad vista en los modelos por ordenador concuerdan con las observaciones de supernovas de tipo Ia. “Más importante aún, la anchura y puco de luminosidad de la curva de luz están correlacionados de una forma que encajan con lo que los observadores han encontrado. Por tanto los modelos son consistentes con las observaciones en las que se basa el descubrimiento de la energía oscura”, dijo Woosley.
Otra fuente de variabilidad es que estas explosiones asimétricas se ven de forma muy diferente cuando se observan desde distintos ángulos. Esto puede contar hasta en un 20% de las diferencias de brillo, dijo Kasen, pero el efecto es aleatorio y crea dispersión en las medidas que pueden ser reducidas estadísticamente observando grandes números de supernovas.
El potencial del sesgo sistemático procede principalmente de la variación en la composición química inicial de la estrella enana blanca. Los elementos más pesados se sintetizan durante las explosiones de supernovas, y los restos de esas explosiones se incorporan a nuevas estrellas. Como resultado, las estrellas que se formaron recientemente es probable que contengan elementos más pesados (una “metalicidad” más alta, en terminología astronómica) que las estrellas del pasado lejano.
“Este es el tipo de cosa que esperamos que evolucione con el tiempo, por lo que si miras la estrellas lejanas que se corresponden con épocas muy anteriores en la historia del universo, tenderían a tener una menor metalicidad”, dijo Kasen. “Cuando calculamos el efecto en nuestros modelos, encontramos que los errores resultantes en las medidas de distancia sería de un orden del 2 por ciento o menos”.
Posteriores estudios usando simulaciones por computador permitirán a los investigadores caracterizar los efectos de tales variaciones con más detalle y limitar su impacto en futuros experimentos de energía oscura, los cuales podrían requerir un nivel de precisión que haría un error del 2 por ciento inaceptable.
Autor: Tim Stephens
Fecha Original: 12 de agosto de 2009
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Nada nuevo bajo el Sol. Todo cuanto se puede leer en el artículo precedente está más que sabido, y, es una repetición de otros experimentos e investigaciones que han sido realizados ya por distintos centros especializados y Organismos Oficiales.
Claro que, aquí se nos habla de: “…gran parte de la diversidad observada en éstas supernovas Ia se debe a la naturaleza caótica de los procesos implicados y la asimetría resultante en las explosiones que son las responsables de la ritura de simetrías esféricas…” Continúa hablando de “…síntesis de nuevos elementos y menciona al Niquel 56 que está implicado en la variación del resplandor de la supernova…”
Sigue diciendo el artículo que los Modelos son consistentes con las obervaciones en las que se basan el descubrimiento de la energía oscura (?), expresa algún técnico sin rubor alguno, cuando la energía oscura de la que se habla mucho, nadie sabe, hasta el momento, dónde se pueda encontrar y, al igual que la materia oscura debe andar por esos lugares imaginados pero, desconocidos que en las conjeturas e hipótesis de todo tipo oímos a diario.
Claro que todos los modelos por ordenador puedan facilitar algún que otro nuevo dato que nos ayude a la mejor comprensión del funcionamiento del Universo y de los objetos que lo pueblan, y, en este caso, se nos detalla algunos aspectos (no todos) en los que se ven implicadas algunas enanas blancas cuando toman material de una estrella compañera o del circundante en su región. Todo lo cual, es de viejo sabido.
Pero, implicar todo esto con la presencia de materia y energía oscura me parece que, al menos es algo aventurado y también pretencioso. ¿Que tienen que ver la materia y energía oscura con esta clase de explosiones de supernovas a partir de una enana blanca?.
La energía oscura no está aquí en nuestro plano del Universo, la materia oscura tampoco. Ese es, precisamente, el motivo por el cual no las podemos ver. Ya sabemos que la materia oscura (no bariónica) no emite radiaciones, no sabemos como se pudo general, no sabemos de qué partículas puede estar conformada, y, en fefinitiva…no sabemos nada, y, de la energía oscura, exactamente igual, nada sabemos excepto que ambas, están ahí, en alguna parte pero, ¿Dónde?
La posibilidad de que tanto la una como la otra estén bien resguardadas en eso que llamamos “vacío” son muchas. Se dejan sentir pero no se dejan ver y, eso puede ser debido a que mediante las fluctuaciones del vacío, los gravitones, los bosones portadores de la fuerza de Gravedad, dejan sentir su fuerza en nuestra parte del Universo y, por el mismo lugar, se cuelan a traves de las grietas del espacio-tiempo los cuantos de la energía oscura, sean los que fueren y nos transmiten su presencia a nuestra parte del Universo.
Una cosa es bien sabida: Ningún astrónomo nos puede explicar como pudieran formarse las galaxias a pesar de la expansión de Hubble, y, el motivo es sólo uno: la materia y energía oscuras estaban ya presentes en los primeros momentos para hacerlo posible y, más tardee, cuando observaron a la velocidad a que se alejan unas galaxias de otras, se dieron cuenta de que alguna clase de materia estaba incidiendo en esa velocidad que, de ninguna manera, correspondía a la velocidad que llevarían las gallaxias si la fuerza de Grafvedad presente fuese la correspondiente a la materia Bariónica que sí podemos ver.
Así que, en el artículo se dicen cosas ya sabidas y otras que quieren ser nuevas y que, en realidad, sólo son adornos e inconcreciones que nada aclaran pero, eso sí, el conjeturar y el seguir buscando, finalmente, nos dará la respuesta tan largamente buscada.
Esperemos algunos de los resultados del LHC cuando comience a funcionar y, posiblemente, nosa dará alguna respuesta a éstas preguntas formuladas que, hasta el momento, estudiando el cielo no ha sido posible dar, y, sin embargo, podría ser posible que, en unas instalaciones situadas a muchos metros bajo tierra, podamos encontrar algún indicio de esos enigmas del Universo.
La vastedad del universo es proporcionalmente directa a nuestra ignorancia pero, somos tan osados que, por lanzar hipótesis y conjeturas que no quede.
Nada de lo que hoy nos parece cierto lo será mañana. Nuevas Teorias vendrán a suplir a las que tenemos y nos dirán los errores de aquellas y los aciertos de éstas, y, así, estaremos durante algunos años…incluso algún siglo, hasta que de nuevo, tengamos que renovar los viejos conocimientos por otros nuevos.
Pero me estoy adelantando mucho en el tiempo. Ahora, lo que toca es aprender más de las estrellas, bucear en los océanos de Higgs a ver que podemos encontrar allí, y, no dejar de lado la Teoría M que, dentro de algunos años también nos podría dar alguna que otra sorpresa.
En esa Teoría llama poderosamente la atención el hecho cierto de que, cuando se está desarrollándo, como por arte de magia y sin que nadie las llame, allí aparecen las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General. El indicio indica que se está en el buen camino.
¡Es todo tan complicado!
“los Modelos son consistentes con las obervaciones en las que se basan el descubrimiento de la energía oscura”
Esto se puede decir sin rubor alguno. Las curvas de luz de las supernovas Ia, sirven para determinar distancias cósmicas y por ende, también ayudan a determinar un valor de la constante cosmológica, detrás de la cual se encuentra la energía oscura. Esto no son especulaciones, son datos observacionales y tangibles sobre los que existe un amplio consenso.
El rango de especulación, sin embargo, sí lo ostenta, en mi opinión, la Teoría de Cuerdas. Son muchas décadas sin un atisbo de falsabilidad, y mucho me temo que el LHC no va a venir al rescate. Francamente, me fío bastante más de los resultados obtenidos en astrofísica y cosmología.
Yo no descarto ni mucho menos que la Teoría de cuerdas o supercuerdas(via supersimetria) acabe dando sorpresas.Entre otras cuestiones en el LHC podrian hallarse nuevas dimensiones-aunque algunos físicos del propio LHC no lo creen así.- En fin en este aspecto podriamos decir aquello de que “love is in the air…”.Esperar y ver, eso es lo que hay que hacer.
Tienes razón en algunas de las cosas que afirmas.Pero no debería pasarte por alto que en ciencia es fundamental “lanzar hipotesis y conjeturas”.Es a base de hipótesis y conjeturas que de vez en cuando se llega a teorías bien establecidas y comprobadas experimentalmente.Lo que comienza con una conjetura puede terminar con un premio Nobel.Otra cosa que no entiendo muy bien es que quieres decir con eso de que la “energía oscura” y la “materia oscura” no estan en nuestro plano del Universo.Si no podemos ver la “materia oscura” es por la simple razón de que interactúa muy debilmente con las partículas conocidas.No obstante el FERMI(antiguo GLAST), aunque la “materia oscura” puede producir luz sólo muy,muy raramente, podría intentar ver esa luz mirando hacia la enorme nube de materia oscura que rodea la Via Láctea(nuestro plano de universo).También podría mapear la distribución de materia oscura el satélite SNAP, mediante el metodo de las lentes gravitacionales.Y, como bien dices, las esperanzas en encontrar “materia oscura” se hallan depositadas en el experimento “ATLAS” en el LHC.(dónde se pueden crear nuevas partículas via la famosa ecuación de Einstein, E=mc^2).Así que podemos atacar el problema de la “materia oscura”, tanto desde el punto de vista de la astronomía,como via LHC.(lo malo es que si se encuentra voy a perder las cervezas que aposté a que tal “materia oscura” más que existir per se, sería algún tipo de problema o bien de medidas o de la propia inhomogeneidad del Universo(algunas teorias apuntan a que el universo ni es homogeneo ni es isotropo….sí, es fuertecillo..adios prinicipio Copernicano, entre otras cosas si así fuera).Saludos.