p Em 1929, Edwin Hubble surpreendeu muitas pessoas - incluindo Albert Einstein - quando mostrou que o universo está se expandindo. Outra bomba veio em 1998, quando duas equipes de astrônomos provaram que a expansão cósmica está na verdade se acelerando devido a uma propriedade misteriosa do espaço chamada energia escura. Esta descoberta forneceu a primeira evidência do que agora é o modelo reinante do universo:"Lambda-CDM, "que diz que o cosmos tem aproximadamente 70 por cento de energia escura, 25 por cento de matéria escura e 5 por cento de matéria "normal" (tudo o que já observamos). p Até 2016, Lambda-CDM concordou perfeitamente com décadas de dados cosmológicos. Então, uma equipe de pesquisa usou o Telescópio Espacial Hubble para fazer uma medição extremamente precisa da taxa de expansão cósmica local. O resultado foi outra surpresa:os pesquisadores descobriram que o universo estava se expandindo um pouco mais rápido do que o Lambda-CDM e o Cosmic Microwave Background (CMB), radiação relíquia do Big Bang, previsto. Então, parece que algo está errado - essa discrepância poderia ser um erro sistemático, ou possivelmente uma nova física?

p Astrofísicos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e do Instituto de Cosmologia e Gravitação da Universidade de Portsmouth, no Reino Unido, acreditam que supernovas Tipo Ia com lentes fortes são a chave para responder a essa pergunta. E em um novo Astrophysical Journal papel, eles descrevem como controlar a "microlente, "um efeito físico que muitos cientistas acreditavam ser uma grande fonte de incerteza diante dessas novas sondas cósmicas. Eles também mostram como identificar e estudar esses eventos raros em tempo real.

p "Desde que o resultado do CMB foi divulgado e confirmou a aceleração do universo e a existência de matéria escura, cosmologistas têm tentado fazer medições cada vez melhores dos parâmetros cosmológicos, diminua as barras de erro, "diz Peter Nugent, um astrofísico no Centro de Cosmologia Computacional (C3) do Berkeley Lab e co-autor do artigo. "As barras de erro agora são tão pequenas que devemos ser capazes de dizer 'isso e isso concordam, 'então os resultados apresentados em 2016 introduziram uma grande tensão na cosmologia. Nosso artigo apresenta um caminho a seguir para determinar se a discordância atual é real ou se é um erro. "

p Melhores marcadores de distância lançam uma luz mais brilhante sobre a história cósmica

p Quanto mais longe um objeto está no espaço, quanto mais tempo sua luz leva para chegar à Terra. Portanto, quanto mais longe olhamos, quanto mais para trás no tempo vemos. Por décadas, As supernovas do tipo Ia têm sido marcadores de distância excepcionais porque são extraordinariamente brilhantes e semelhantes em brilho, não importa onde estejam no cosmos. Olhando para esses objetos, os cientistas descobriram que a energia escura está impulsionando a expansão cósmica.

p Mas no ano passado uma equipe internacional de pesquisadores encontrou um marcador de distância ainda mais confiável - a primeira supernova Tipo Ia com lentes fortes. Esses eventos ocorrem quando o campo gravitacional de um objeto massivo - como uma galáxia - dobra e reorienta a luz que passa de um evento Tipo Ia por trás dele. Essa "lente gravitacional" faz com que a luz da supernova pareça mais brilhante e, às vezes, em vários locais, se os raios de luz percorrerem caminhos diferentes ao redor do objeto massivo.

p Como as diferentes rotas em torno do objeto massivo são mais longas do que outras, a luz de diferentes imagens do mesmo evento Tipo Ia chegará em momentos diferentes. Ao rastrear o atraso de tempo entre as imagens com lente forte, os astrofísicos acreditam que podem obter uma medição muito precisa da taxa de expansão cósmica.

p "As supernovas com lentes fortes são muito mais raras do que as supernovas convencionais - elas são uma em 50, 000. Embora esta medição tenha sido proposta pela primeira vez na década de 1960, nunca foi feito porque apenas duas supernovas com lentes fortes foram descobertas até hoje, nenhum dos quais era passível de medições de atraso de tempo, "diz Danny Goldstein, um estudante de graduação da UC Berkeley e autor principal do novo Astrophysical Journal papel.

p Depois de executar uma série de simulações computacionalmente intensas de luz de supernova no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), um Departamento de Energia Office of Science User Facility localizado em Berkeley Lab, Goldstein e Nugent suspeitam que serão capazes de encontrar cerca de 1, 000 dessas supernovas do Tipo Ia com lentes fortes em dados coletados pelo próximo Grande Telescópio de Pesquisa Sinótica (LSST) - cerca de 20 vezes mais do que as expectativas anteriores. Esses resultados são a base de seu novo artigo no Astrophysical Journal .

p "Com três quasares com lentes - faróis cósmicos que emanam de enormes buracos negros no centro das galáxias - colaboradores e eu medimos a taxa de expansão com 3,8 por cento de precisão. Obtivemos um valor maior do que a medição CMB, mas precisamos de mais sistemas para ter certeza de que algo está errado com o modelo padrão de cosmologia, "diz Thomas Collett, um astrofísico da Universidade de Portsmouth e um co-autor do novo Astrophysical Journal papel. "Pode levar anos para obter uma medição de atraso de tempo com quasares, mas este trabalho mostra que podemos fazer isso por supernovas em meses. Mil supernovas com lentes nos permitirão realmente definir a cosmologia. "

p Além de identificar esses eventos, as simulações do NERSC também os ajudaram a provar que as supernovas do Tipo Ia com lentes fortes podem ser sondas cosmológicas muito precisas.

p "Quando cosmologistas tentam medir atrasos de tempo, o problema que eles costumam encontrar é que estrelas individuais na galáxia de lente podem distorcer as curvas de luz das diferentes imagens do evento, tornando mais difícil combiná-los, "diz Goldstein." Este efeito, conhecido como 'microlente, 'torna mais difícil medir atrasos de tempo precisos, que são essenciais para a cosmologia. "

p Mas depois de executar suas simulações, Goldstein e Nugent descobriram que a microlente não alterava as cores da supernova Tipo Ia com lentes fortes em suas fases iniciais. Assim, os pesquisadores podem subtrair os efeitos indesejados da microlente trabalhando com cores em vez de curvas de luz. Uma vez que esses efeitos indesejáveis ​​são subtraídos, os cientistas serão capazes de combinar facilmente as curvas de luz e fazer medições cosmológicas precisas.

p Eles chegaram a essa conclusão modelando as supernovas usando o código SEDONA, que foi desenvolvido com financiamento de dois institutos DOE Scientific Discovery por meio de Advanced Computing (SciDAC) para calcular curvas de luz, espectros e polarização de modelos de supernovas asféricas.

p "No início dos anos 2000, o DOE financiou dois projetos da SciDAC para estudar explosões de supernovas, basicamente pegamos a saída desses modelos e os passamos por um sistema de lentes para provar que os efeitos são acromáticos, "diz Nugent.

p "As simulações nos dão uma imagem deslumbrante do funcionamento interno de uma supernova, com um nível de detalhe que nunca poderíamos saber de outra forma, "diz Daniel Kasen, um astrofísico na Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley, e um co-autor no artigo. "Os avanços na computação de alto desempenho estão finalmente nos permitindo entender a morte explosiva das estrelas, e este estudo mostra que tais modelos são necessários para descobrir novas maneiras de medir a energia escura. "

p Levando a caça de supernovas ao extremo

p Quando o LSST iniciar as operações de levantamento completo em 2023, ele será capaz de escanear todo o céu em apenas três noites de sua posição na cordilheira do Cerro Pachón, no centro-norte do Chile. Ao longo de sua missão de 10 anos, Espera-se que o LSST forneça mais de 200 petabytes de dados. Como parte da Colaboração da Ciência de Energia Escura LSST, Nugent e Goldstein esperam poder executar alguns desses dados por meio de um novo pipeline de detecção de supernova, com sede na NERSC.

p Por mais de uma década, O pipeline de detecção de transientes em tempo real da Nugent em execução no NERSC tem usado algoritmos de aprendizado de máquina para examinar as observações coletadas pelo Fator de Transiente Palomar (PTF) e, em seguida, pelo Palomar Transient Factory (iPTF) intermediário - procurando todas as noites por objetos "transientes" que mudam em brilho ou posição comparando as novas observações com todos os dados coletados nas noites anteriores. Poucos minutos depois de um evento interessante ser descoberto, as máquinas do NERSC acionam telescópios ao redor do globo para coletar observações de acompanhamento. Na verdade, foi esse pipeline que revelou a primeira supernova Tipo Ia com lentes fortes no início deste ano.

p "O que esperamos fazer pelo LSST é semelhante ao que fizemos pela Palomar, mas vezes 100, "diz Nugent." Vai haver uma enxurrada de informações todas as noites do LSST. Queremos pegar esses dados e perguntar o que sabemos sobre esta parte do céu, o que aconteceu lá antes e isso é algo que nos interessa para a cosmologia? "

p Ele acrescenta que, uma vez que os pesquisadores identificam a primeira luz de um evento de supernova com lentes fortes, a modelagem computacional também pode ser usada para prever com precisão quando a próxima luz aparecerá. Os astrônomos podem usar essas informações para acionar telescópios terrestres e espaciais para acompanhar e captar essa luz, essencialmente permitindo que eles observem uma supernova segundos depois que ela explodir.

p "Eu vim para o Berkeley Lab 21 anos atrás para trabalhar na modelagem de transferência radiativa de supernova e agora, pela primeira vez, usamos esses modelos teóricos para provar que podemos fazer cosmologia melhor, "diz Nugent." É emocionante ver o DOE colher os benefícios dos investimentos em cosmologia computacional que eles começaram a fazer décadas atrás. "