Per què les supernoves són importants per entendre l’univers

Les supernoves de tipus Ia són les morts explosives de les estrelles nanes blanques. Com que tendeixen a explotar amb gairebé la mateixa brillantor intrínseca, els astrònoms les utilitzen com a «espelmes estàndard»: comparant la seva brillantor real coneguda amb la seva brillantor aparent des de la Terra, els científics poden mesurar les distàncies còsmiques.

Aquesta tècnica va ser clau per descobrir que l’expansió de l’univers s’està accelerant, un fenomen atribuït a l’energia fosca, un dels misteris més grans de la física moderna. No obstant això, hi ha una trampa: no totes les supernoves de tipus Ia són exactament iguals.

El problema: les supernoves es veuen afectades pels seus entorns

En les últimes dues dècades, els astrònoms han descobert que la brillantor d’aquestes supernoves depèn lleugerament de les galàxies en què exploten. Per exemple, les supernoves de les galàxies més massives o més antigues tendeixen a tenir un aspecte una mica diferent d’aquelles de les galàxies més petites o més joves.

Fins ara, aquests efectes s’havien corregit normalment mitjançant ajustaments simples i aproximats, la qual cosa podia limitar la precisió amb què es mesuraven les distàncies d’aquestes supernoves.

Una solució unificada: models integrals

El nou estudi aborda directament aquest problema modelant-ho tot alhora: les explosions de supernoves, les galàxies que les allotgen, la pols que n’atenua i n’envermelleix la llum, la freqüència amb què es produeixen les supernoves al llarg del temps còsmic i, fins i tot, l’expansió del mateix univers.

En lloc d’analitzar cada peça per separat, l’equip va construir un model únic i autoconsistent que enllaça tots aquests elements físicament i estadísticament.

«Una manera potent de modelar l’univers és simular-lo ab initio a l’ordinador mitjançant la inferència bayesiana», explica Raúl Jiménez (ICREA-ICCUB), coautor de l’estudi. «Això proporciona una manera de variar tots els paràmetres possibles alhora, per predir en quin univers vivim. A més, tenint aquesta capacitat es poden examinar possibles sistemàtiques unknown unkwon per entendre’n l’efecte. L’impacte d’aquestes sistemàtiques en la nostra inferència és possiblement l’ingredient més important que falta en els enfocaments actuals per modelar l’univers».

Intel·ligència artificial i cosmologia

Per fer que aquest ambiciós enfocament fos factible quant als costos de computació, l’equip va utilitzar un conjunt modern de tècniques conegudes com a inferència basada en la simulació.

En termes senzills, el mètode funciona així: en primer lloc, els científics simulen molts universos possibles utilitzant models físics; a continuació, una xarxa neuronal (un tipus d’intel·ligència artificial) aprèn com les dades simulades es relacionen amb els paràmetres físics subjacents, i finalment el sistema entrenat pot inferir aquests paràmetres directament a partir d’observacions reals.

Això permet analitzar desenes de milers de supernoves alhora, un objectiu que seria impossible amb els mètodes tradicionals.

Un resultat clau: distàncies precises sense espectroscòpia

Un dels resultats més importants és que el mètode pot estimar les distàncies de les galàxies amb molta precisió utilitzant només imatges.

El desplaçament cap al vermell (redshift) mesura quant s’estira la llum d’una galàxia a mesura que l’univers s’expandeix. Indica a quina distància es veu, i quant de temps fa que es veu.
El nou enfocament aconsegueix una precisió comparable a les mesures espectroscòpiques, però sense necessitat d’espectres. Això és crucial, perquè els futurs estudis del cel descobriran milions de candidats a supernoves, però només una petita fracció es podrà estudiar de manera realista amb espectroscòpia.

Preparació per a l’era de l’Observatori Rubin

L’Observatori Vera C. Rubin, actualment en construcció a Xile, aviat començarà un estudi del cel de deu anys. Detectarà un nombre sense precedents de supernoves, de les quals el 99 % aproximadament s’observaran només fotomètricament, és a dir, a través d’imatges de diferents colors.

El marc CIGaRS està dissenyat precisament per a aquest escenari

«A diferència d’altres marcs de treball, que requereixen simplificacions analítiques, el nostre enfocament d’inferència basat en simulacions integrals sense compromisos és excepcionalment capaç d’extreure la informació cosmològica i astrofísica completa de les dades obtingudes amb esforç per l’Observatori Rubin, evitant alhora biaixos de selecció i modelització», afirma Konstantin Karchev, de l’ICCUB i l’Escola Internacional d’Estudis Avançats de Trieste (SISSA), autor principal de l’estudi.

Més enllà de la cosmologia: descobrint com exploten les estrelles

A més de millorar les mesures de l’energia fosca, l’estudi també aporta pistes sobre com i quan es formen les supernoves de tipus Ia. En reconstruir com les taxes d’ocurrència de supernoves depenen de l’edat de les estrelles a les galàxies, el model ajuda a abordar qüestions de llarg recorregut sobre els seus sistemes progenitors.

Els resultats mostren que la combinació de la modelització basada en la física amb la intel·ligència artificial pot superar les limitacions clau en les anàlisis cosmològiques actuals. Segons els autors, aquest enfocament podria millorar les restriccions cosmològiques fins a un factor de quatre, en comparació amb els mètodes tradicionals, que es basen només en un petit subconjunt de supernoves observat espectroscòpicament.

Amb l’Observatori Rubin preparat per transformar l’astronomia els propers anys, mètodes com CIGaRS garanteixen que s’estarà preparat per comprendre completament les dades i l’univers que revelen.