Una supernova reaparecida permite medir la expansión del universo, con mayor exactitud, al mismo tiempo que se capta la mayor explosión cósmica jamás vista.

Gracias a los datos de una supernova ampliada, conocida como "Refsdal" y de la que hay múltiples imágenes, un grupo de astrónomos han utilizado con éxito una técnica única en su tipo para medir la "Tasa de Expansión del Universo".

Dicha expansión resulta ser una piedra angular para comprender el Universo, a través del cual el propio "espacio - tiempo" es descrito por una "métrica" que cambia con el tiempo de tal manera que las dimensiones espaciales parecen crecer o extenderse según el Universo se hace más joven o más viejo. Con ecuaciones diferenciales se explica cómo se expande el Universo en el modelo del "Big Bang"; una característica de nuestro Universo corroborada por todos los experimentos cosmológicos, cálculos astrofísicos y medidas tomadas hasta la fecha. Nuestra comprensión del "espacio - tiempo", nos indica que ambos no son absolutos, sino que se obtienen a partir de una "métrica" que no se puede cambiar. En la métrica de expansión del espacio, más que objetos en un espacio fijo alejándose hacia el vacío, es el espacio que contiene los objetos el que está cambiando propiamente dicho. Es como si los objetos no se movieran por sí mismos, el espacio está "creciendo" de alguna manera entre ellos. Debido a que es la "métrica" que define la distancia la que está cambiando más que los objetos moviéndose en el espacio, esta expansión, y el movimiento resultante son objetos alejándose, no está acotada por la  velocidad de la luz, resultado teórico que es consecuencia de la "Relatividad Especial"

Este nuevo trabajo brinda información sobre un viejo debate y acerca a los físicos a la obtención de la medida más precisa de la edad del universo, según sus autores, liderados por Patrick Kelly de la Universidad de Minnesota, que es un doctor en astrofísica, egresado de la Universidad de Stanford, el cual se divide en dos artículos, publicados respectivamente en "Science" y "The Astrophysical Journal".

La primera medición de su tipo de la "Tasa de Expansión del Universo" pesa en un debate de larga data en física y astronomía. Fotografía de S. Rodney, para las agencias NASA y ESA.

En astronomía, hay dos medidas precisas de la expansión del universo, también llamadas “Constante de Hubble” (Ho), que es el factor de proporcionalidad entre velocidad de recesión y distancia de las galaxias, es uno de los parámetros fundamentales del Universo y permite, en particular, determinar la edad del Universo.

La primera se calcula a partir de observaciones cercanas de "Supernovas", al tener un brillo bien conocido se puede estimar su distancia a la Tierra, y al relacionar su corrimiento al rojo o velocidad se determina la velocidad de alejamiento, y

la segunda utiliza el “Fondo Cósmico de Microondas”, o radiación que comenzó a fluir libremente por el Universo poco después del "Big Bang".

La "Cosmic Microwave Background" (CMB) o "Fondo Cósmico de Microondas"  es una forma de radiación electromagnética, que fue descubierta en el año 1965, por Arno Allan Penzias (nacido el 26 de abril de 1933) y Robert Woodrow Wilson (nacido el 10 de enero de 1936) que llena el Universo por completo, y que les llevó a ganar el Premio Nobel de Física en el año 1978. 

Tiene características de radiación de un "cuerpo negro", a una temperatura de 2 mil 725 grados Kelvin y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160.2 Gigaherzios, correspondiéndose con una longitud de onda de 1.9 mm. Esta radiación es una de las pruebas principales del modelo cosmológico del "Big Bang".

Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA muestra las posiciones del pasado, presente y futuro previsto de la "Supernova Refsdal" detrás del cúmulo de galaxias "MACS J1149+2223". El círculo superior muestra la posición de la supernova tal como se pudo haber visto en 1995, que en realidad no se observó. El círculo más bajo muestra la galaxia que utilizó la lente de la "Supernova Refsdal" para producir cuatro imágenes, un descubrimiento realizado a fines de 2014. El círculo central muestra la posición prevista de la reaparición de la supernova a fines de 2015 o principios de 2016. Fotografía de las agencias NASA y ESA; S. Rodney (Johns Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), Patrick Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI).

Nota: Una "Supernova", del latín "nova", esto es "nueva", es una explosión estelar que puede manifestarse de forma muy notable en el espacio, incluso a simple vista, en lugares de la esfera celeste donde antes no se había detectado nada en particular.

Sin embargo, estas dos medidas difieren en aproximadamente un diez por ciento, lo que ha provocado un amplio debate entre físicos y astrónomos. Si ambas medidas son precisas, eso implicaría que la actual teoría de los científicos sobre la "Composición del Universo" está incompleta.

El autor principal de ambos artículos y profesor asistente en la Universidad de la Escuela de Física y Astronomía de Minnesota, Patrick Kelly, comentó: “Si las nuevas mediciones independientes confirman este desacuerdo entre las dos mediciones de (Ho) se convertiría en una grieta en la armadura de nuestra comprensión del cosmos. La gran pregunta es si hay un posible problema con una o ambas mediciones. Nuestra investigación aborda eso mediante el uso de una forma independiente y completamente diferente de medir la tasa de expansión del universo.”

El equipo científico pudo calcular este valor utilizando datos de una "Supernova" descubierta por el propio Kelly en 2014, el primer ejemplo de ésta con múltiples imágenes, lo que significa que el telescopio capturó cuatro imágenes diferentes del mismo evento cósmico. Después del descubrimiento, equipos de todo el mundo predijeron que la supernova reaparecería en una nueva posición en 2015, y el equipo de la Universidad de Minnesota detectó esta imagen adicional.

Estas múltiples representaciones aparecieron porque la supernova fue captada gravitacionalmente por un conjunto de galaxias, un fenómeno en el que la masa del cúmulo dobla y magnifica la luz. Al utilizar los retrasos de tiempo entre las apariciones de las imágenes de 2014 y 2015, los investigadores pudieron medir la (Ho) utilizando una teoría desarrollada en 1964 por el astrónomo Sjur Refsdal (1935 - 2009), quién propuso por primera vez el uso de imágenes retardadas desde una supernova con lente gravitacional para estudiar la "Expansión del Universo", lo que anteriormente había sido imposible de poner en práctica. 

Esquema de trayectorias de luz en una lente gravitatoria. Las imágenes de objetos distantes adquieren forma de arcos rodeando el objeto masivo intermedio. Tomado de Hubble Site. org. STScI, dominio público.

La lente gravitacional, es un término astrofísico utilizado para definir el fenómeno formado cuando la luz que procede de objetos lejanos y brillantes se curva alrededor de un objeto de gran tamaño, el cual está ubicado entre el objeto emisor y el receptor.

Señaló el doctor  Kelly: "Los hallazgos de los investigadores no resuelven absolutamente el debate, pero, proporcionan más información sobre el problema y nos acercan a la obtención de la medida más precisa de la Edad del Universo".

A manera de corolario, este equipo de científicos, utilizando los mismos datos, encontraron que algunos modelos actuales de Materia Oscura de cúmulos de galaxia, podían explicar sus observaciones de las "Supernovas". Esto les permitió determinar los modelos más precisos para las ubicaciones de la materia oscura en el cúmulo de galaxias, una pregunta que ha atormentado a los astrónomos durante mucho tiempo.

Adicionalmente un equipo de astrónomos revelan  detalles dela mayor

explosión cósmica jamás vista.

Una explosión cósmica más de diez veces más brillante que cualquier supernova conocida, la mayor jamás vista, ha sido captada por astrónomos liderados por la Universidad de Southampton, que publican resultados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Impresión artística de la acumulación de un agujero negro. Fotografia de John Paice / Europa Press.

La explosión, ha sido denominada como "AT2021lwx", ha durado en la actualidad más de tres años, en comparación con la mayoría de las supernovas, que sólo brillan visiblemente durante unos meses. Tuvo lugar a casi ocho mil millones de años luz, cuando el universo tenía unos seis mil millones de años, y todavía está siendo detectada por una red de telescopios.

Una vez conocido el valor de (Ho), es posible utilizarlo para estimar la Edad del Universo. Imagina que se observa a lo lejos un coche que se aleja y que sea capaz de medir su velocidad y su distancia, digamos sesenta kilómetros por hora y una distancia de un kilómetro. Suponiendo que el coche ha rodado a una velocidad constante, puede calcularse que circula desde hace un minuto. La situación es la misma para una galaxia lejana. Si podemos medir a la vez su distancia y velocidad, podemos determinar desde cuánto tiempo se aleja de nosotros. Basta de hecho con dividir la distancia de la galaxia por su velocidad de recesión. Según la "Ley de Hubble", este valor es simplemente lo inverso de (Ho). Así, por ejemplo, cuanto más grande esta constante, más joven es el Universo.

El cálculo precedente es correcto sólo si la velocidad de expansión es constante. Repitiendo el ejemplo precedente, si el coche que se aleja se aceleró constantemente, su velocidad media sobre el trayecto es más pequeña que su velocidad actual, y la duración real del trayecto es más larga. Lo mismo, si el Universo aceleró o disminuyó la velocidad en el momento de su expansión, las estimaciones deben tomar en consideración una corrección.

Tomando en consideración esta corrección y las medidas más recientes del "Satélite WMAP", la Edad del Universo está estimada en 13.75 mil millones de años con un margen de error de 0.1 mil millones.

La radiación fósil medida por el satélite WMAP en 2003. Las zonas de diferentes colores son fluctuaciones insignificantes de la temperatura de la radiación en diferentes direcciones del cielo. Estas fluctuaciones son el resultado de variaciones en la densidad del Universo primitivo. Un análisis profundizado de estas fluctuaciones permitió determinar con una gran precisión el valor de la constante de Hubble y la edad del Universo. Crédito: Nasa/WMAP, tomada de Astronoo.

Creen que la explosión es el resultado de una inmensa nube de gas, posiblemente miles de veces mayor que nuestro Sol, que ha sido violentamente perturbada por un agujero negro supermasivo. Fragmentos de la nube serían engullidos, enviando ondas de choque a través de sus restos, así como a una gran “rosquilla” polvorienta que rodea al agujero negro. Este tipo de sucesos son muy raros y no se ha observado nada semejante hasta ahora.

El año pasado, los astrónomos fueron testigos de la explosión más brillante de la que se tiene constancia: un estallido de rayos gamma conocido como "GRB 221009A". Aunque esta explosión fue más brillante que la de "AT2021lwx", sólo duró una fracción de tiempo, lo que significa que la energía total liberada por la explosión de esta última es mucho mayor.

"AT2021lwx" fue detectada por primera vez en el año 2020 por la Zwicky Transient Facility de California, y posteriormente por el "Asteroid Terrestrial-impact Last Alert System" (ATLAS) de Hawai. Estas instalaciones vigilan el cielo nocturno para hallar objetos transitorios que cambian rápidamente de brillo, lo que indica la existencia de eventos cósmicos como supernovas, así como para encontrar asteroides y cometas. Hasta ahora se desconocía la magnitud de la explosión.

Explicó, en un comunicado, Philip Wiseman, investigador de la Universidad de Southampton, que dirigió la investigación: “Lo descubrimos por casualidad, ya que nuestro algoritmo de búsqueda lo señaló cuando buscábamos un tipo de supernova,  la mayoría de las supernovas y perturbaciones de marea sólo duran un par de meses antes de desvanecerse. Que algo brillara durante más de dos años fue inmediatamente muy inusual”.

El equipo siguió investigando el objeto con varios telescopios diferentes: el Telescopio Neil Gehrels Swift, que es una colaboración entre la agencia de Administración Nacional del Aeronáutica y del Espacio (NASA),  con el Reino Unido e Italia; el Telescopio de Nuevas Tecnologías, operado por el Observatorio Europeo Austral, en Chile, y el Gran Telescopio Canarias en La Palma, España.

Analizando el espectro de la luz, dividiéndolo en diferentes longitudes de onda y midiendo las distintas características de absorción y emisión del espectro, el equipo pudo medir la distancia al objeto.

Afirmó el profesor Sebastian Hönig, de la Universidad de Southampton, coautor de la investigación: “Una vez que se conoce la distancia al objeto y lo brillante que nos parece, se puede calcular el centello del objeto en su fuente. Una vez realizados esos cálculos, nos dimos cuenta de que es extremadamente resplandeciente”. 

Los únicos objetos en el universo tan brillantes como "AT2021lwx" son los cuásares, agujeros negros supermasivos con un flujo constante de gas que cae sobre ellos a gran velocidad.

Es la formación conocida como la "Cruz de Einstein", cuatro imágenes del mismo "cuásar" lejano aparecen alrededor de una galaxia en primer plano debido a las lentes gravitatorias fuertes. Tomada de NASA, ESA, and STScI, Hubble Site. org.

El profesor Mark Sullivan, también de la Universidad de Southampton y otro de los coautores del artículo, explica que: “En un cuásar, vemos que el brillo aumenta y disminuye con el tiempo. Pero si miramos una década atrás no se había detectado "AT2021lwx", y de repente aparece con el brillo de las cosas más resplandencientes del Universo, lo que no tiene precedentes”.

Existen diferentes teorías sobre lo que podría haber causado tal explosión, pero el equipo de especialistas, cree que la más factible es una nube extremadamente grande de gas, en su mayoría hidrógeno, o polvo, que se desvió de su órbita alrededor del agujero negro y salió despedida hacia el interior.

El equipo se dispone ahora a recopilar más datos sobre la explosión, midiendo distintas longitudes de onda, incluidos los rayos X, que podrían revelar la superficie y la temperatura del objeto, así como los procesos subyacentes. También llevarán a cabo simulaciones computacionales mejoradas para comprobar si coinciden con su teoría sobre la causa de la explosión.

El doctor Philip Wiseman vaticina que: “Con la puesta en marcha en los próximos años de nuevas instalaciones, como el "Legacy Survey of Space and Time" (LSST) del Observatorio Vera Rubin, esperamos descubrir más sucesos como éste y aprender más acerca de la evolución de la Tierra”."

Este observatorio que actualmente se encuentra en construcción, hospeda al llamado "Simonyi Survey Telescope", herramienta con el que se llevará a cabo el censo del cielo, con un espejo primario de 8.4 metros que será capaz de fotografiar la totalidad de su cielo disponible cada pocas noches debido a su amplio campo de visión. Una cúpula de cuarenta metros de altura alojará al telescopio. Se edifica en el norte de Chile y prevé entrar en funcionamiento en el año 2024. Su nombre se debe a la astrónoma Vera Florence Cooper Rubin (1928 - 2016), quién fue una pionera en la medición de la rotación de las estrellas dentro de una galaxia. 

Por supuesto que los alcances de estas nuevas herramientas son extraordinarios, y nos otorgan nuevos conocimientos, generando con ello la posibilidad de nuevas investigaciones, que acrecentaran en el futuro próximo el acervo acerca de la Expansión del Universo, la Energía y la Materia Oscura, los Agujeros Negros, los Cuásares, las Supernovas y mejoras sobre las teorías que informan sobre el desenlace de nuestro Universo.