Che le supernove possano essere usate per stimare il tasso di espansione dell’universo, non è una novità. Ci hanno vinto un premio Nobel per la fisica nel 2011 Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess per la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo, avvenuta nel 1998. Sono quasi trent’anni, quindi, che le proprietà intrinseche di queste esplosioni cosmiche vengono messe al servizio della cosmologia. Per una fortunata sovrapposizione celeste, però, il caso di una supernova di tipo Ia chiamata Winny è diverso e potrebbe offrire un metodo indipendente per misurare la velocità di espansione dell’universo. Il perché è spiegato in due articoli firmati Holismoke (Highly Optimised Lensing Investigations of Supernovae, Microlensing Objects, and Kinematics of Ellipticals and Spirals), un programma scientifico volto a indagare le proprietà delle supernove osservate attraverso il lensing gravitazionale, come nel caso di Winny.
Immagine ad alta risoluzione che mostra le due galassie lente (di colore più rosso) e le cinque immagini della Supernova Winny. Crediti: Sn Winny research group
Nonostante ci siano vari metodi per stimare il tasso di espansione dell’universo, fra cui l’osservazione delle supernove, il valore della costante di Hubble – il parametro cosmologico che indica, appunto, la velocità attuale di espansione – è ancora molto incerto. Finora gli scienziati si sono principalmente affidati a due metodi per misurare la costante di Hubble, che però danno risultati in conflitto tra loro. Questo enigma è noto come tensione di Hubble.
Il primo è il metodo locale, che misura le distanze delle galassie dalle più vicine alle più lontane, come salire una scala in cui ogni gradino dipende dal precedente; in questo modo si costruisce la cosiddetta “scala delle distanze cosmiche”. Si fa utilizzando oggetti di luminosità ben nota (come le supernove) per stimare le distanze e poi confrontarle con la velocità di allontanamento delle galassie. Poiché questo metodo prevede numerosi passaggi, anche piccoli errori possono accumularsi e incidere sul risultato finale. Il secondo metodo guarda molto più indietro nel tempo, alla radiazione cosmica di fondo, e utilizza modelli dell’universo primordiale per calcolare il tasso di espansione attuale. Questo approccio si basa fortemente su ipotesi sull’evoluzione dell’universo, ancora oggetto di dibattito.
Veniamo quindi al caso particolare della supernova (Sn) Winny, esplosa a circa 10 miliardi di anni luce da noi. Si tratta di un’esplosione speciale per almeno tre motivi: il primo è che è molto luminosa, circa dieci volte di più rispetto alle tipiche supernove; il secondo è che in cielo appare ben cinque volte, grazie a un fenomeno noto come lensing gravitazionale. Il terzo è che a fare da lente, nel caso di Winny, sono due galassie: un caso piuttosto insolito, poiché i sistemi di lente su scala galattica producono normalmente solo due o quattro immagini multiple. Non è stato un caso fortunato, trovare una sorgente simile. I ricercatori del progetto Holismoke – autori del primo dei due articoli, pubblicato su Astronomy and Astrophysics –hanno impiegato circa sei anni per individuare un evento simile. Finora, a fare da lente per la maggior parte delle supernove osservate attraverso il lensing gravitazionale erano massicci ammassi di galassie, le cui distribuzioni di massa sono complesse e difficili da modellare. Il caso di Sn Winny, invece, è diverso perché a fare da lente sono due galassie individuali, e stimare il valore della costante di Hubble potrebbe essere più semplice.
«Determinare il valore della costante di Hubble con supernove soggette a strong gravitational lensing misurando i ritardi temporali delle diverse immagini è un metodo completamente indipendente rispetto agli altri più “mainstream”, come il fondo cosmico a microonde e le supernove di tipo Ia», spiega a Media Inaf Ana Acebron, ricercatrice all’università della Cantabria, in Spagna, e coautrice del primo dei due articoli. «È noto come metodo “single-step”, il che significa che non sono necessarie calibrazioni o altri riferimenti (come richiesto per le supernove Ia) e si basa sui principi fisici ben noti della Relatività generale. Attualmente, questo metodo non può eguagliare la precisione ottenuta dagli altri due semplicemente perché oggi sono note poche supernove Ia con strong gravitational lensing. Le cose cambieranno molto nei prossimi anni con i telescopi Euclid e Vera Rubin».
A livello teorico, stimare l’espansione dell’universo usando un caso come Sn Winny è piuttosto semplice. Due galassie interposte fra la Terra e la supernova deviano la luce di questa mentre questa viaggia verso il nostro pianeta, costringendola a seguire percorsi differenti che si proiettano nel cielo formando immagini multiple. Poiché questi percorsi hanno lunghezze leggermente diverse, la luce che produce ciascuna immagine arriva al telescopio in momenti diversi. Misurando i ritardi temporali tra le immagini multiple della supernova, secondo i ricercatori, sarebbe possibile determinare il tasso di espansione attuale dell’universo, ovvero la costante di Hubble. A livello pratico, questo richiede una serie di passaggi non banali. Innanzitutto, occorre stimare con grande precisione la massa delle galassie e come questa massa è distribuita al loro interno. In gergo, costruire il modello della lente che determina come e quanto intensamente la luce della supernova viene deviata. E successivamente misurare con precisione il ritardo temporale dei segnali.
«Il valore della costante di Hubble dipende dai ritardi temporali tra le immagini multiple delle supernove e dalla distribuzione della massa totale della lente», spiega Acebron. «Quindi è necessario misurare i ritardi temporali e stimare con elevata precisione il profilo di densità di massa totale della lente. L’incertezza totale sulla costante di Hubble sarà quindi (approssimativamente) la somma in quadratura delle incertezze sui ritardi temporali e sul modello di massa totale».
L’animazione mostra l’effetto di lensing gravitazionale della coppia di galassie in primo piano sulla galassia ospite della supernova Winny. La galassia ospite è visibile in più immagini, che risultano distorte e allungate fino a formare un anello di colore azzurrino attorno alla lente. Crediti: Elias Mamuzic / Mpa / Tum)
Per costruire il modello di massa delle due galassie, un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics di Garching, in Germania, e della Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco di Baviera ha osservato il sistema con il Large Binocular Telescope in Arizona (Usa), utilizzando i suoi due specchi da 8,4 metri di diametro e un sistema di ottica adattiva che corregge la distorsione atmosferica. In un articolo sottomesso per la pubblicazione su Astronomy and Astrophysics (il secondo dei due che citavamo all’inizio) hanno quindi calcolato e modellato la distribuzione di massa delle due galassie “lente”, misurato con precisione la posizione delle immagini proiettate di Sn Winny e confermato la presenza di cinque “copie” della supernova nelle immagini. I dati raccolti a Lbt, tuttavia, non sono risultati adatti a completare il lavoro. Per farlo, occorre conoscere con precisione il profilo di massa delle lenti in funzione del raggio.
«Anche Claudio Grillo dell’università di Milano Statale ed io siamo coinvolti in un lavoro di modellizzazione della massa delle lenti, guidato dall’università delle Hawaii che verrà pubblicato nei prossimi mesi», continua la ricercatrice. «E con il nostro team stiamo anche lavorando per misurare con precisione i ritardi temporali tra le immagini multiple di Sn Winny, con due metodi diversi. In primo luogo, ottenendo misure spettroscopiche delle immagini multiple in epoche diverse. Parallelamente, abbiamo iniziato delle campagne osservative fotometriche, con cadenza relativamente elevata, per monitorare le curve di luce delle immagini multiple di Sn Winny nell’ottico, con telescopi terrestri. L’incertezza sul valore della costante di Hubble dipenderà direttamente dall’incertezza del ritardo temporale; pertanto, il nostro obiettivo è misurarlo con elevata accuratezza e precisione. Dobbiamo ancora attendere per capire quale sarà la precisione finale».
Per saperne di più:
- Leggi su ArXiv l’articolo, accettato per la pubblicazione su Astronomy and Astrophysics, “HOLISMOKES XIX: SN 2025wny at z = 2, the first strongly lensed superluminous supernova“, di Stefan Taubenberger, Ana Acebron, Raoul Cañameras, Ting-Wan Chen, Aymeric Galan, Claudio Grillo, Alejandra Melo, Stefan Schuldt, Allan G. Schweinfurth, Sherry H. Suyu, Greg Aldering, Amar Aryan, Yu-Hsing Lee, Elias Mamuzic, Martin Millon, Thomas M. Reynolds, Alexey V. Sergeyev, Ildar M. Asfandiyarov, Stéphane Basa, Stéphane Blondin, Otabek A. Burkhonov, Lise Christensen, Frederic Courbin, Shuhrat A. Ehgamberdiev, Tom L. Killestein, Seppo Mattila, Asadulla M. Shaymanov, Yiping Shu, Dong Xu, Sheng Yang, Daniel Gruen, Justin D. R. Pierel, Christopher J. Storfer, Kim-Vy Tran, Kenneth C. Wong, Rosa L. Becerra, Damien Dornic, Jean-Grégoire Ducoin, Noémie Globus, Claudia P. Gutiérrez, Ji-an Jiang, Hanindyo Kuncarayakti, Diego López-Cámara, Peter Lundqvist, Francesco Magnani, Enrique Moreno Méndez, Benjamin Schneider, Christian Vogl
- Leggi su ArXiv l’articolo, sottomesso ad Astronomy and Astrophysics, “HOLISMOKES XX. Lens models of binary lens galaxies with five images of Supernova Winny“, di R. Ecker, A. G. Schweinfurth, R. Saglia, L. Deng, S. H. Suyu, C. Saulder, J. Snigula, R. Bender, R. Cañameras, T.-W. Chen, A. Galan, A. Halkola, E. Mamuzic, A. Melo, S. Schuldt, S. Taubenberger