p Com a ajuda de um pipeline automatizado de caça a supernovas e uma galáxia situada a 2 bilhões de anos-luz da Terra que funciona como uma "lupa, “Os astrônomos capturaram várias imagens de uma supernova Tipo Ia - a explosão brilhante de uma estrela - aparecendo em quatro locais diferentes no céu. Até agora, este é o único tipo Ia descoberto que exibiu esse efeito. p Este fenômeno denominado 'lente gravitacional' é um efeito da Teoria da Relatividade de Einstein - a massa desvia a luz. Isso significa que o campo gravitacional de um objeto massivo - como uma galáxia - pode dobrar os raios de luz que passam nas proximidades e redirecioná-los para outro lugar, fazendo com que os objetos de fundo pareçam mais brilhantes e, às vezes, em vários locais. Os astrofísicos acreditam que se puderem encontrar mais desses tipos ampliados de Ia, eles podem ser capazes de medir a taxa de expansão do Universo com uma precisão sem precedentes e lançar alguma luz sobre a distribuição da matéria no cosmos.

p Felizmente, examinando mais de perto as propriedades deste evento raro, dois pesquisadores do Law-rence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) criaram um método - um pipeline - para identificar mais dessas chamadas "supernovas do Tipo Ia com lentes fortes" em pesquisas de campo amplo existentes e futuras. Um artigo descrevendo sua abordagem foi publicado recentemente no Cartas de jornal astrofísico . Enquanto isso, um artigo detalhando a descoberta e observações da supernova Tipo Ia de 4 bilhões de anos, iPTF16geu, foi publicado em Ciência em 21 de abril.

p "É extremamente difícil encontrar uma supernova com lentes gravitacionais, muito menos um tipo Ia com lentes. Estatisticamente, suspeitamos que pode haver aproximadamente um em cada 50, 000 supernovas que identificamos, "diz Peter Nugent, um astrofísico na Divisão de Pesquisa Computacional do Berkeley Lab (CRD) e um autor em ambos os artigos. "Mas desde a descoberta do iPTF16geu, agora temos algumas ideias sobre como melhorar nosso pipeline para identificar mais desses eventos. "

p Surpresa cósmica lança nova luz sobre cosmologia

p Por muitos anos, a natureza transitória das supernovas tornava-as extremamente difíceis de detectar. Trinta anos atrás, a taxa de descoberta era de cerca de dois por mês. Mas, graças ao Intermediate Palomar Transient Factory (iPTF), uma nova pesquisa com um pipeline inovador, esses eventos estão sendo detectados diariamente, alguns horas depois de suas explosões iniciais aparecerem.

p O processo de identificação de eventos transitórios, como supernovas, começa todas as noites no Observatório Palomar, no sul da Califórnia, onde uma câmera de campo amplo montada no telescópio robótico Samuel Oschin varre o céu. Assim que as observações são feitas, os dados viajam mais de 400 milhas até o Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Departamento de Energia (DOE), que está localizado no Berkeley Lab. No NERSC, algoritmos de aprendizado de máquina executados nos supercomputadores da instalação filtram os dados em tempo real e identificam os transientes para os pesquisadores acompanharem.

p Em 5 de setembro, 2016, o pipeline identificou iPTF16geu como um candidato a supernova. À primeira vista, o evento não parecia particularmente fora do comum. Nugent observa que muitos astrônomos pensaram que era apenas uma supernova Tipo Ia típica situada a cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância da Terra.

p Como a maioria das supernovas que são descobertas relativamente cedo, este evento ficou mais brilhante com o tempo. Pouco depois de atingir o brilho máximo (magnitude 19), o Professor de Astrofísica de Partículas Experimentais da Universidade de Estocolmo, Ariel Goobar, decidiu fazer um espectro - ou estudo de luz detalhado - do objeto. Os resultados confirmaram que o objeto era de fato uma supernova Tipo Ia, mas eles também mostraram isso, surpreendentemente, estava localizado a 4 bilhões de anos-luz de distância. Um segundo espectro obtido com o instrumento OSIRIS no telescópio Keck em Mauna Kea, Havaí, mostrou sem dúvida que a supernova estava a 4 bilhões de anos-luz de distância, e também revelou sua galáxia hospedeira e outra galáxia localizada a cerca de 2 bilhões de anos-luz de distância que agia como uma lente gravitacional, o que amplificou o brilho da supernova e fez com que ela aparecesse em quatro lugares diferentes no céu.

p "Há cerca de 15 anos que procuro uma supernova com lente. Procurei em todas as pesquisas possíveis, Eu tentei uma variedade de técnicas para fazer isso e essencialmente desisti, então esse resultado foi uma grande surpresa, "diz Goobar, quem é o autor principal do Ciência papel. "Uma das razões pelas quais estou interessado em estudar lentes gravitacionais é que elas permitem medir a estrutura da matéria - tanto a matéria visível quanto a escura - em escalas muito difíceis de obter."

p De acordo com Goobar, a pesquisa em Palomar foi criada para observar objetos no Universo próximo, cerca de 1 bilhão de anos-luz de distância. Mas encontrar uma supernova distante do Tipo Ia nesta pesquisa permitiu aos pesquisadores fazer o acompanhamento com telescópios ainda mais poderosos que resolveram estruturas de pequena escala na galáxia hospedeira da supernova, bem como a galáxia da lente que a está ampliando.

p "Existem bilhões de galáxias no universo observável e é um tremendo esforço olhar em um pedaço muito pequeno do céu para encontrar esses tipos de eventos. Seria impossível encontrar um evento como este sem uma supernova ampliada direcionando você para onde olhar, "diz Goobar." Tivemos muita sorte com esta descoberta porque podemos ver as estruturas de pequena escala nessas galáxias, mas não saberemos a sorte que temos até encontrarmos mais desses eventos e confirmar que o que estamos vendo não é uma anomalia. "

p Outro benefício de descobrir mais desses eventos é que eles podem ser usados ​​como ferramentas para medir com precisão a taxa de expansão do Universo. Uma das chaves para isso é a lente gravitacional. Quando uma lente gravitacional forte produz várias imagens de um objeto de fundo, a luz de cada imagem percorre um caminho ligeiramente diferente ao redor da lente em seu caminho para a Terra. Os caminhos têm comprimentos diferentes, portanto, a luz de cada imagem leva um tempo diferente para chegar à Terra.

p “Se você medir os tempos de chegada das diferentes imagens, que acaba sendo uma boa maneira de medir a taxa de expansão do Universo, "diz Goobar." Quando as pessoas medem a taxa de expansão do Universo agora localmente usando supernovas ou estrelas Cefeidas, eles obtêm um número diferente daqueles que olham as observações do universo inicial e o fundo cósmico em micro-ondas. Há tensão lá fora e seria ótimo se pudéssemos contribuir para resolver essa busca. "

p Novos métodos de detecção de supernovas com lentes

p De acordo com Danny Goldstein, um estudante de graduação em astronomia da UC Berkeley e um autor da carta do Astrophysical Journal, houve apenas algumas supernovas com lentes gravitacionais de qualquer tipo já descobertas, incluindo iPTF16geu, e todos eles foram descobertos por acaso.

p "Ao descobrir como encontrar sistematicamente supernovas Tipo Ia com lentes fortes, como iPTF16geu, esperamos abrir caminho para pesquisas de supernovas em grande escala, que irá desbloquear o potencial desses objetos como ferramentas para cosmologia de precisão, "diz Goldstein, que trabalhou com Nugent para conceber um método para encontrá-los em levantamentos de campo amplo existentes e futuros.

p A ideia principal de sua técnica é usar o fato de que as supernovas do Tipo Ia são "velas padrão" - objetos com o mesmo brilho intrínseco - para identificar aqueles que são ampliados por lentes. Eles sugerem começar com supernovas que parecem explodir em galáxias vermelhas que pararam de formar estrelas. Essas galáxias hospedam apenas supernovas do Tipo Ia e constituem a maior parte das lentes gravitacionais. Se um candidato a supernova que parece estar hospedado em tal galáxia for mais brilhante do que o brilho "padrão" de uma supernova Tipo Ia, Goldstein e Nugent argumentam que há uma forte chance de a su-pernova não residir realmente na galáxia, mas, em vez disso, é uma supernova de fundo filmada pelo aparente hospedeiro.

p "Uma das inovações desse método é que não temos que detectar múltiplas imagens para inferir que uma supernova tem lentes, "diz Goldstein." Esta é uma grande vantagem que deve nos permitir encontrar mais eventos do que pensávamos anteriormente. "

p Usando este método, Nugent e Goldstein prevêem que o próximo Large Synoptic Survey Telescope deve ser capaz de detectar cerca de 500 supernovas Tipo Ia com lentes fortes ao longo de 10 anos - cerca de 10 vezes mais do que as estimativas anteriores. Enquanto isso, o Zwicky Transient Facility, que começa a coletar dados em agosto de 2017 em Palomar, deve encontrar aproximadamente 10 desses eventos em uma pesquisa de três anos. Estudos em andamento mostram que cada imagem de supernova Tipo Ia com lente tem o potencial de fazer 4%, ou melhor, medição da taxa de expansão do universo. Se realizado, isso poderia adicionar uma ferramenta muito poderosa para sondar e medir os parâmetros cosmológicos.

p "Estamos chegando ao ponto em que nossas pesquisas transitórias são grandes o suficiente, nossos pipelines são eficientes o suficiente, e nossos conjuntos de dados externos são ricos o suficiente para que possamos entrelaçar os dados e obter esses eventos raros, "acrescenta Goldstein." É um momento emocionante para trabalhar neste campo. "

p iPTF é uma colaboração científica entre Caltech; Laboratório Nacional de Los Alamos; a Universidade de Wisconsin, Milwaukee; o Centro Oskar Klein na Suécia; o Instituto de Ciência Weizmann em Israel; o Programa TANGO do Sistema Universitário de Taiwan; e o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo, no Japão. NERSC é um DOE Office of Science User Facility.