Utilizzando il telescopio spaziale James Webb, gli astronomi hanno catturato un’immagine straordinaria della supernova Hope. La macchia dorata allungata che nasconde questa supernova non è solo notevole per il suo valore estetico. Questa supernova, è esplosa quando l’universo di 13,8 miliardi di anni aveva solo circa 3,5 miliardi di anni. Questo evento cosmico ci dice qualcosa su un enorme problema in cosmologia chiamato tensione di Hubble.
La tensione Hubble un mistero irrisolto
La tensione di Hubble deriva dal fatto che gli scienziati non riescono a concordare sul tasso esatto di espansione dell’universo, dettato dalla costante di Hubble. Il valore può essere misurato partendo dall’universo locale, quindi più recente, per poi risalire più indietro nel tempo. Oppure può essere calcolato partendo dall’universo distante, quindi primordiale, per poi risalire al più recente. Il problema è che entrambi i metodi forniscono valori che non concordano tra loro.
Qui che entra in gioco il James Web Space Telescope (JWST). Le supernovae con effetto lente gravitazionale osservate dal telescopio spaziale nel cosmo primordiale potrebbero fornire un terzo modo per misurare la velocità, contribuendo potenzialmente a risolvere questa annosa questione. “La supernova è stata chiamata ‘Hope’ perché dà agli astronomi la speranza di comprendere meglio il tasso di espansione mutevole dell’universo”, ha affermato in una dichiarazione (rif.) Brenda Frye, responsabile del team di studio della NASA.
L’indagine sulla supernova Hope è iniziata quando Frye e il suo team globale di scienziati hanno trovato tre curiosi punti di luce in un’immagine James Webb di un ammasso di galassie distante e densamente popolato. Quei punti di luce nell’immagine non erano visibili quando il telescopio spaziale Hubble ha ripreso lo stesso ammasso, noto come PLCK G165.7+67.0 o, più semplicemente, G165, nel 2015.
Le supernove Ia
“Tutto è iniziato con una domanda del team. Cosa sono quei tre punti che prima non c’erano? Potrebbe essere una supernova?” ha detto Frye. “Le analisi iniziali hanno confermato che questi punti corrispondevano a una stella in esplosione”. Lo spazio circostante G165 è stato selezionato per il programma PEARLS perché si trova nel mezzo di starburst, un periodo di intensa formazione stellare. Tali alti tassi di formazione stellare sono correlati a casi più elevati di esplosioni di supernova.
Hope è un tipo specifico di supernova chiamata supernova di tipo Ia. Queste supernovae si verificano in binarie che contengono una stella di sequenza principale, come il Sole, e una stella che ha esaurito il suo combustibile per la fusione nucleare ed è diventata un guscio morto, chiamata nana bianca. Se questi corpi stellari sono abbastanza vicini, allora la stella morta può comportarsi come un vampiro cosmico, attingendo plasma dalla stella viva, o donatrice.
Il materiale si accumula fino a innescare un’esplosione termonucleare, che genera le supernove Ia. Siccome i lampi di luce sono molto uniformi, queste supernovae sono un ottimo strumento che gli astronomi possono usare per misurare le distanze cosmiche. Gli astronomi, quindi, si riferiscono a queste tipologie di supernove come candele standard. Un modo per calcolare la costante di espansione dell’universo è misurarne le distanze tra noi e questi eventi cosmici, e poi misurare la velocità con cui si stanno allontanando.
Einstein dà una mano
La lente gravitazionale è un effetto previsto nella teoria della gravità di Albert Einstein, creata nel 1915 e chiamata relatività generale. Questa legge suggerisce che gli oggetti con massa causano la deformazione dello spazio-tempo, e la gravità deriva da questa curvatura. Maggiore è la massa dell’oggetto, più estrema è la deformazione dello spazio e, quindi, maggiore è l’influenza gravitazionale che quell’oggetto ha. Per questo le le lune orbitano attorno ai pianeti, ed i pianeti orbitano attorno alle stelle.
Questa deformazione dello spazio-tempo ha anche un altro effetto interessante. Quando la luce passa davanti a un oggetto con una forte influenza gravitazionale, il percorso della luce si piega attorno allo spazio-tempo deformato dell’oggetto creando una lente gravitazionale. Quindi il percorso che la luce intraprende dipende da quanto si avvicina alla lente gravitazionale. Quindi la luce proveniente dallo oggetto può seguire percorsi diversi a gradi diversi e con lunghezze diverse. Pertanto, quella luce può arrivare a telescopi come il James Webb in momenti diversi ed apparire in più punti dell’imagine.
Ed è esattamente quello che accade alla supernova Hope in questa immagine mentre la sua luce attraversa la lente gravitazionale G165. “La lente gravitazionale è importante per questo esperimento. La lente, costituita da un ammasso di galassie che si trova tra la supernova e noi, piega la luce della supernova in immagini multiple”, ha detto Frye. “È simile a come uno specchio da trucco a tre ante presenta tre immagini diverse di una persona seduta di fronte a esso”.
Il ciclo 3 di James Webb
“Per ottenere tre immagini, la luce ha viaggiato lungo tre percorsi diversi. Poiché ogni percorso aveva una lunghezza diversa e la luce viaggiava alla stessa velocità, la supernova è stata ripresa in questa osservazione JWST in tre momenti diversi durante la sua esplosione”, ha continuato Frye. “Con l’analogia dello specchio a tre ante, si è verificato un ritardo temporale in cui lo specchio di destra ha raffigurato una persona che sollevava un pettine, lo specchio di sinistra ha mostrato i capelli che venivano pettinati e lo specchio centrale ha mostrato la persona che posava il pettine”.
Il team ha proseguito gli studi sulla supernova Hope con il James Webb ed alcuni strumenti terrestri, tra cui il telescopio MMT da 6,5 metri sul Monte Hopkins e il Large Binocular Telescope sul Monte Graham, entrambi situati in Arizona. Ciò ha portato a confermare che Hope è ancorata a una galassia di sfondo ben dietro l’ammasso di lenti G165. La luce dell’esplosione cosmica viaggia verso la Terra da 10,3 miliardi di anni, il che significa che questa nana bianca è esplosa solo 3,5 miliardi di anni dopo il Big Bang.
“Un altro membro del team ha effettuato un’altra misurazione del ritardo temporale analizzando l’evoluzione della sua luce dispersa nel suo spettro, confermando la natura di tipo Ia della supernova Hope”, ha affermato Frye. “Questo la rende una delle supernovae di tipo Ia più distanti osservate fino ad oggi. I risultati del nostro team sono di impatto”, ha concluso Frye. “Il valore della costante di Hubble corrisponde ad altre misurazioni nell’universo locale ed è in qualche modo in tensione con i valori ottenuti quando l’universo era giovane. Le osservazioni JWST nel Ciclo 3 miglioreranno le incertezze, consentendo vincoli più sensibili sulla costante di Hubble”.
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