Essas supernovas com lentes gravitacionais poderiam resolver a tensão de Hubble.

Um dos problemas mais persistentes da cosmologia atual diz respeito à taxa de expansão do universo. Os cientistas sabem que ele está se expandindo, mas definir a taxa dessa expansão é um desafio. Essa taxa de expansão é chamada de Constante de Hubble , em homenagem ao astrônomo americano Edwin Hubble, que descobriu na década de 1920 que o universo está em expansão. 

 Esta captura de tela mostra a ilustração de um artista de uma explosão de supernova. Astrônomos detectaram um par de supernovas antigas que estão sendo afetadas pela lente gravitacional de aglomerados de galáxias. O par de estrelas em explosão pode ajudar os cosmólogos a resolver a Tensão de Hubble e determinar o valor da Constante de Hubble, a taxa de expansão do universo. Crédito: ESA/Hubble (L. Calçada)

Durante décadas, os cientistas têm tentado medir a constante de Hubble e, embora tenham feito progressos, a certeza ainda não foi alcançada. A tensão de Hubble descreve a discrepância entre os diferentes métodos de medição da constante de Hubble. Quando os cientistas usam a radiação cósmica de fundo em micro-ondas para medi-la, obtêm um resultado: 67 km/s/Mpc. Quando usam velas padrão da escada de distâncias cósmicas , obtêm um resultado diferente: 73 km/s/Mpc.

Existem diferentes tipos de velas padrão, que são objetos astronômicos com magnitudes absolutas bem definidas. Um deles são as supernovas do tipo Ia.

Astrônomos descobriram um par de supernovas (SNe) em circunstâncias excepcionais que podem ajudá-los a resolver a Tensão de Hubble e determinar a Constante de Hubble de uma vez por todas. As SNe estão a bilhões de anos-luz de distância, e sua luz é ampliada e dividida em múltiplas imagens por uma forte lente gravitacional. O par de SNe e a pesquisa relacionada a elas foram apresentados na 247ª Reunião da Sociedade Astronômica Americana.

Conor Larison, do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, apresentou as descobertas. Larison é pesquisador de pós-doutorado lá e também faz parte da colaboração JWST VENUS. VENUS significa Vast Exploration for Nascent, Unexplored Sources (Vasta Exploração de Fontes Nascentes e Inexploradas) . Não tem nada a ver com o planeta Vênus. No programa VENUS , o JWST está realizando observações profundas de 60 aglomerados de galáxias ricos.

Estas imagens coloridas são compostas a partir de observações do Telescópio Espacial Hubble (HST) e do Telescópio Espacial James Webb (JWST) dos aglomerados de galáxias MJ0308 e MJ0417, nos quais as supernovas Ares e Athena foram descobertas, respectivamente. Ambas as supernovas reaparecerão em outras imagens com lente gravitacional daqui a anos ou décadas, permitindo restrições precisas sobre a taxa de expansão do universo. Crédito da imagem: VENUS/Larison. Processamento de imagem: Gavin Farley.

Embora o instrumento VENUS esteja apenas na metade de sua construção, ele já encontrou fontes raras e antigas, como estrelas individuais do universo primordial. Também encontrou fontes tênues, como buracos negros ativos antigos no centro de galáxias primitivas, além de duas estrelas em explosão, denominadas SN Ares e SN Athena.

Alguns aglomerados de galáxias podem funcionar como lentes gravitacionais poderosas e criar supernovas com múltiplas imagens. É o que está acontecendo com Ares e Athena.

"A supernova Ares está a uma distância bastante grande em comparação com outras supernovas de colapso de núcleo que conseguimos observar, e a única razão pela qual conseguimos detectá-la e acompanhá-la é devido ao efeito de ampliação da forte lente gravitacional do aglomerado de galáxias", disse Larison em sua apresentação na AAS247. 

Ele explica que o JWST conseguiu coletar espectros da supernova que revelarão informações sobre a física das supernovas no início do universo. "Mas, além da física da supernova, esta é uma supernova fortemente lenteada, o que significa que sua galáxia aparece várias vezes. Por causa disso, ela reaparecerá nesta imagem do aglomerado de galáxias daqui a 60 anos", acrescentou Larison.

Os aglomerados de galáxias são massivos, e a relatividade nos diz que essa quantidade de massa curva o espaço-tempo. Os aglomerados e as supernovas estão alinhados uns com os outros do nosso ponto de vista, então, à medida que a luz das supernovas viaja em nossa direção, ela é curvada pela massa dos aglomerados. A luz das supernovas antigas e distantes é dividida em múltiplas imagens pelos aglomerados de galáxias que atuam como lentes gravitacionais.

" O forte efeito de lente gravitacional transforma aglomerados de galáxias nos telescópios mais poderosos da natureza", disse Seiji Fujimoto, investigador principal do projeto VENUS, em um comunicado à imprensa . "O VENUS foi projetado para encontrar, com a máxima precisão, os eventos mais raros no universo distante, e essas supernovas com lente gravitacional são exatamente o tipo de fenômeno que somente essa abordagem pode revelar."

A supernova Ares foi a primeira descoberta pela sonda Venus e explodiu quando o universo tinha apenas cerca de 4 bilhões de anos. A supernova Athena explodiu há cerca de 6,5 bilhões de anos. A luz delas não só foi curvada e ampliada, como também esticada pela expansão do universo. O mais notável sobre as supernovas Ares e Athena é que as múltiplas imagens de cada uma chegarão em momentos diferentes. Isso configura um experimento natural para medir a constante de Hubble.

Imagens repetidas de Athena chegarão em cerca de dois ou três anos, enquanto duas imagens de Ares chegarão em cerca de 60 anos. Como há décadas entre a chegada das imagens, a supernova de Ares representa uma oportunidade para prever e testar a constante de Hubble.

"Um intervalo tão longo entre as imagens de uma supernova fortemente lenteada nunca foi visto antes e pode representar a oportunidade para um experimento preditivo capaz de impor restrições incrivelmente precisas à evolução cosmológica", disse Conor Larison. "É difícil saber quais serão as principais questões daqui a 60 anos, mas o que é certo é que esse reaparecimento proporcionará a medição cosmológica mais precisa e direta que já tivemos a chance de realizar."

A sonda SN Athena também ajudará a medir o valor da Constante de Hubble, um parâmetro ainda pouco compreendido. Primeiramente, os astrônomos utilizam as observações existentes das supernovas e dos aglomerados de galáxias para prever quando as próximas imagens chegarão. Em seguida, aguardam a chegada das imagens, e o atraso real indica a precisão de suas previsões.

"O atraso previsto de alguns anos para a próxima imagem da supernova Athena nos permitirá avaliar o valor da constante de Hubble em um momento em que tal medição independente é extremamente necessária", afirma Justin Pierel, pesquisador da Fundação Einstein no STScI. "Isso pode ajudar a consolidar a possibilidade de nova física ou, alternativamente, apontar para sistemáticas desconhecidas nas melhores análises cosmológicas atuais."

A astronomia de domínio temporal é o estudo de objetos que mudam ao longo do tempo, seja em sua posição, seu brilho ou de outras maneiras. As supernovas Ares e Athena podem ser vistas como exemplos de astronomia de domínio temporal, mas, em seus casos, bilhões de anos se passaram desde suas explosões, e anos ou décadas se passarão entre a chegada de suas imagens.

"Quanto maior o atraso temporal, melhor para restringir a cosmologia", disse Larison na AAS247. "Como a luz dessas fontes de fundo é curvada e distorcida por esses aglomerados de galáxias, ela chega com um atraso temporal diretamente relacionado à história da expansão do universo. Essa história de expansão depende da energia escura, que compõe 70% do universo", afirmou Larison.

Não sabemos o que é energia escura, mas daqui a 60 anos nossas perguntas sobre ela provavelmente serão diferentes das que temos agora. "Talvez daqui a 60 anos não saibamos ao certo o que está acontecendo com a expansão do universo, e a supernova Ares ajudará a desvendar esse mistério", disse Larison.

Phys.org