O próximo telescópio espacial Nancy Grace Roman da NASA verá milhares de estrelas explodindo chamadas supernovas em vastas extensões de tempo e espaço. Usando essas observações, astrônomos pretendem iluminar vários mistérios cósmicos, fornecendo uma janela para o passado distante e o presente nebuloso do universo.

A pesquisa de supernovas de Roman ajudará a esclarecer medidas conflitantes de quão rápido o universo está se expandindo, e até mesmo fornecer uma nova maneira de investigar a distribuição de matéria escura, que só é detectável por meio de seus efeitos gravitacionais. Um dos objetivos científicos primários da missão envolve o uso de supernovas para ajudar a identificar a natureza da energia escura - a pressão cósmica inexplicada que está acelerando a expansão do universo.

O maior mistério do espaço

"A energia escura constitui a maior parte do cosmos, mas não sabemos realmente o que é, "disse Jason Rhodes, um cientista pesquisador sênior do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia. "Ao restringir as explicações possíveis, Roman pode revolucionar nossa compreensão do universo - e a energia escura é apenas um dos muitos tópicos que a missão irá explorar! "

Roman usará vários métodos para investigar a energia escura. Um envolve pesquisar o céu em busca de um tipo especial de estrela explodindo, chamada de supernova do tipo Ia.

Muitas supernovas ocorrem quando estrelas massivas ficam sem combustível, colapso rapidamente sob seu próprio peso, e depois explodem por causa de fortes ondas de choque que se projetam para fora de seu interior. Essas supernovas ocorrem cerca de uma vez a cada 50 anos em nossa galáxia, a Via Láctea. Mas as evidências mostram que as supernovas do tipo Ia se originam de alguns sistemas estelares binários que contêm pelo menos uma anã branca - a pequena, núcleo quente remanescente de uma estrela semelhante ao sol. As supernovas do tipo Ia são muito mais raras, acontecendo aproximadamente uma vez a cada 500 anos na Via Láctea.

Em alguns casos, o anão pode sugar material de seu companheiro. Em última análise, isso desencadeia uma reação de fuga que detona o ladrão, uma vez que atinge um ponto específico onde ganhou tanta massa que se torna instável. Os astrônomos também encontraram evidências que apoiam outro cenário, envolvendo duas anãs brancas que espiralam uma em direção à outra até se fundirem. Se sua massa combinada for alta o suficiente para levar à instabilidade, elas, também, pode produzir uma supernova do tipo Ia.

Essas explosões têm um pico semelhante, brilho intrínseco conhecido, fazer supernovas do tipo Ia chamadas velas padrão - objetos ou eventos que emitem uma quantidade específica de luz, permitindo que os cientistas encontrem sua distância com uma fórmula simples. Por causa disso, astrônomos podem determinar a que distância as supernovas estão simplesmente medindo o quão brilhantes elas aparecem.

Os astrônomos também usarão Roman para estudar a luz dessas supernovas e descobrir com que rapidez elas parecem estar se afastando de nós. Ao comparar o quão rápido eles estão recuando em distâncias diferentes, os cientistas traçarão a expansão cósmica ao longo do tempo. Isso nos ajudará a entender se e como a energia escura mudou ao longo da história do universo.

"No final da década de 1990, os cientistas descobriram que a expansão do universo estava se acelerando usando dezenas de supernovas do tipo Ia, "disse Daniel Scolnic, um professor assistente de física na Duke University em Durham, Carolina do Norte, que está ajudando a projetar a pesquisa de supernovas de Roman. "Roman vai encontrá-los aos milhares, e muito mais longe do que a maioria das que vimos até agora. "

Pesquisas anteriores de supernovas do tipo Ia se concentraram no universo relativamente próximo, em grande parte devido às limitações do instrumento. Visão infravermelha de Roman, campo de visão gigantesco, e a sensibilidade requintada ampliará drasticamente a pesquisa, puxar as cortinas cósmicas longe o suficiente para permitir que os astrônomos avistem milhares de supernovas distantes do tipo Ia.

A missão estudará a influência da energia escura em detalhes ao longo de mais da metade da história do universo, quando tinha entre quatro e 12 bilhões de anos. Explorar esta região relativamente não explorada ajudará os cientistas a adicionar peças cruciais ao quebra-cabeça da energia escura.

"As supernovas do tipo Ia estão entre as sondas cosmológicas mais importantes que temos, mas são difíceis de ver quando estão longe, "Scolnic disse." Precisamos de medições extremamente precisas e um instrumento incrivelmente estável, que é exatamente o que Roman fornecerá. "

Hubble balbúrdia constante

Além de fornecer uma verificação cruzada com outras pesquisas de energia escura da missão, As observações de supernovas do tipo Ia de Roman podem ajudar os astrônomos a examinar outro mistério. Discrepâncias continuam surgindo nas medições da constante de Hubble, que descreve a rapidez com que o universo está se expandindo.

Predições baseadas em dados do universo inicial, de cerca de 380, 000 anos após o big bang, indicam que o cosmos deve se expandir atualmente em cerca de 42 milhas por segundo (67 quilômetros por segundo) para cada megaparsec de distância (um megaparsec é cerca de 3,26 milhões de anos-luz). Mas as medições do universo moderno indicam uma expansão mais rápida, entre aproximadamente 43 a 47 milhas por segundo (70 a 76 quilômetros por segundo) por megaparsec.

Roman ajudará explorando diferentes fontes potenciais dessas discrepâncias. Some methods to determine how fast the universe is now expanding rely on type Ia supernovae. While these explosions are remarkably similar, which is why they're valuable tools for gauging distances, small variations do exist. Roman's extensive survey could improve their use as standard candles by helping us understand what causes the variations.

The mission should reveal how the properties of type Ia supernovae change with age, since it will view them across such a vast sweep of cosmic history. Roman will also spot these explosions in various locations in their host galaxies, which could offer clues to how a supernova's environment alters its explosion.

Illuminating dark matter

In a 2020 paper, a team led by Zhongxu Zhai, a postdoctoral research associate at Caltech/IPAC in Pasadena, Califórnia, showed that astronomers will be able to glean even more cosmic information from Roman's supernova observations.

"Roman will have to look through enormous stretches of the universe to see distant supernovae, " said Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC and a co-author of the study. "A lot can happen to light on such long journeys across space. We've shown that we can learn a lot about the structure of the universe by analyzing how light from type Ia supernovae has been bent as it traveled past intervening matter."

Anything with mass warps the fabric of space-time. Light travels in a straight line, but if space-time is bent—which happens near massive objects—light follows the curve. When we look at distant type Ia supernovae, the warped space-time around intervening matter—such as individual galaxies or clumps of dark matter—can magnify the light from the more distant explosion.

By studying this magnified light, scientists will have a new way to probe how dark matter is clustered throughout the universe. Learning more about the matter that makes up the cosmos will help scientists refine their theoretical model of how the universe evolves.

By charting dark energy's behavior across cosmic history, homing in on how the universe is expanding today, and providing more information on mysterious dark matter, the Roman mission will deliver an avalanche of data to astronomers seeking to solve these and other longstanding problems. With its ability to help solve so many cosmic mysteries, Roman will be one of the most important tools for studying the universe we've ever built.

The Nancy Grace Roman Space Telescope is managed at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, with participation by NASA's Jet Propulsion Laboratory and Caltech/IPAC in Southern California, the Space Telescope Science Institute in Baltimore, and science teams comprising scientists from various research institutions.