Datos del artículo científico:
- Título Original: “SN H0pe: The First Measurement of H0 from a Multiply-Imaged Type Ia Supernova, Discovered by JWST”
- Autores/as: Massimo Pascale, Brenda L. Frye, Justin D.R. Pierel, Wenlei Chen, Patrick L. Kelly, Seth H. Cohen, Rogier A. Windhorst, Adam G. Riess, Patrick S. Kamieneski, Jose M. Diego, Ashish K. Meena, Sangjun Cha, Masamune Oguri, Adi Zitrin, M. James Jee, Nicholas Foo, Reagen Leimbach, Anton M. Koekemoer, C. J. Conselice, Liang Dai, Ariel Goobar, Matthew R. Siebert, Lou Strolger, S. P. Willner
- Fecha de publicación: 27 de Marzo del 2024
- Estado del artículo: Enviado a “Astrophysical Journal” (ApJ)
¿Puede una supernova distante ayudarnos a resolver uno de los mayores misterios de la cosmología moderna? Gracias a las observaciones del Telescopio Espacial James Webb (JWST), la comunidad astronómica ha encontrado una nueva forma de medir la tasa de expansión del universo utilizando una supernova tipo Ia con imágenes múltiples. Este descubrimiento, conocido como SN H0pe, podría ser el inicio de una nueva forma de abordar la enigmática tensión de Hubble.
La Tensión de Hubble, o la “crisis en cosmología”
Como hemos discutido anteriormente, uno de los descubrimientos más fascinantes de la física contemporánea es que el universo se está expandiendo aceleradamente. Sin embargo, el valor de la tasa de expansión actual del universo, llamada constante de Hubble (H0), es tema de debate en la comunidad astronómica. Dependiendo de las observaciones y en qué etapa del universo se sitúan estas mediciones, los valores de la constante de Hubble no concuerdan.
Las mediciones del universo local, las cuales utilizan métodos como las supernovas tipo Ia y las cefeidas, tienden a dar un valor de H0 más alto, alrededor de 73-74 km/s/Mpc. Por otro lado, las mediciones del universo temprano, basadas en la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB), dan un valor más bajo, aproximadamente 67-68 km/s/Mpc.
Para medir la tasa de expansión en el universo cercano, se catalogan muchas galaxias y se emplea la “escalera de distancias”. Sin embargo, puede que no se comprendan claramente los errores sistemáticos, ya que el universo tardío es complejo y no lineal, con interacciones gravitacionales particulares que no tienen que ver con la expansión del universo. Por otro lado, para predecir la constante de Hubble a partir del CMB en el universo temprano, es necesario conocer muy bien la física del plasma primordial, es decir, nuestro modelo cosmológico estándar (una idea similar en el contexto de la materia oscura es el tema central de este astrobito). Si faltase algún ingrediente en el plasma primordial, como una especie desconocida de partícula, o si la curvatura espacial del universo fuera diferente, la predicción de H0 sería incorrecta. He aquí la razón por la que este debate es tan importante: o no entendemos bien nuestras observaciones del Universo local, o nuestras teorías del cosmos están incompletas… es decir, ¡nueva física!
SN H0pe = Supernova Ia + Lente gravitacional fuerte
En el cúmulo de galaxias PLCK G165.7+67.0, las primeras imágenes de JWST revelaron una supernova llamada “SN H0pe”. Esta supernova es especial porque se ha visto en tres imágenes diferentes debido a un fuerte efecto de lentes gravitacionales, que ocurre cuando la gravedad de un cúmulo de galaxias curva y amplifica la luz de objetos más distantes. Esto hace que la misma supernova aparezca en varios lugares del cielo (Figura 1).
Las lentes gravitacionales fuertes ocurren cuando la luz de un objeto distante (en este caso, una supernova) es desviada por la gravedad de un objeto masivo intermedio (por ejemplo, un cúmulo de galaxias). Este fenómeno puede crear múltiples imágenes del objeto distante, que podemos observar desde la Tierra. Estas imágenes se forman porque la gravedad actúa como una lente que curva la luz, haciendo que llegue a nosotros desde diferentes rutas. Las diferencias en los tiempos de llegada de estas imágenes nos permiten inferir propiedades del sistema gravitacional. Además, otro efecto importante es la dilatación temporal de Shapiro, donde la gravedad del objeto masivo también causa un retraso en el tiempo que tarda la luz en llegar a nosotros.
El equipo científico detrás del artículo original propone una fascinante idea: determinar el valor de la constante de Hubble utilizando las diferencias en los tiempos de llegada de la luz, siendo esta la primera vez que se aplica esta metodología a una supernova tipo Ia.
El arte de modelar lentes gravitacionales
Gracias a las observaciones de JWST, el equipo científico pudo medir el brillo y el espectro de cada imagen de la supernova SN H0pe, y así determinar los retrasos de tiempo entre ellas. Siguiendo protocolos muy cuidadosos, estos retrasos se compararon con las predicciones de siete modelos diferentes del cúmulo de galaxias para calcular la constante de Hubble.
La precisión de estos valores está limitada por las complejidades en los modelos de lentes y los retrasos de tiempo. Para crear un modelo de lente gravitacional preciso, necesitamos conocer cómo está distribuida la masa en el cúmulo de galaxias que actúa como lente. Esto incluye no solo las galaxias visibles, sino también la materia oscura, que no podemos ver directamente. La distribución de esta masa afecta cómo la luz de la supernova es desviada y cuántas imágenes se forman.
Adicionalmente, los modelos de lente gravitacional presentan degeneración. En física, una degeneración ocurre cuando diferentes configuraciones de un modelo pueden producir el mismo resultado observable. En este caso, varias distribuciones posibles de masa en el cúmulo pueden crear los mismos retrasos de tiempo. Esto significa que hay múltiples soluciones posibles para el modelo de lente, lo que hace difícil determinar cuál es la correcta.
Considerando estos desafíos, la tarea de determinar la constante de Hubble parece complicada. No obstante, el equipo de investigación utilizó un dato adicional crucial: la magnificación absoluta de la supernova. La magnificación indica cuánto se amplifica el brillo de la supernova debido a la lente gravitacional. Al comparar esta magnificación observada con la predicha por los modelos, se puede resolver (parcialmente) la degeneración y determinar cuál de las múltiples soluciones posibles es la más plausible.
Con toda esta información acerca de SN H0pe, el artículo original obtuvo un valor de H0=75.4+8.1−5.5 km/s/Mpc. Este valor apoya las mediciones del universo local y aumenta la evidencia de la tensión de Hubble (Figura 2).
El descubrimiento de SN H0pe y su análisis a través de JWST representan un avance significativo en resolver la “crisis en cosmología”. Al utilizar una supernova tipo Ia con imágenes múltiples creadas por lentes gravitacionales, se ha encontrado un nuevo indicador astrofísico para medir la constante de Hubble. Este estudio no solo refuerza las mediciones del universo local, sino que también abre la puerta a futuras investigaciones que podrían resolver uno de los mayores misterios de la cosmología moderna. Con más eventos similares, podríamos estar un paso más cerca de entender mejor nuestro universo y las leyes fundamentales que lo rigen. ¡Hay que estar atentos a futuros descubrimientos!
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