La missione Roman della NASA sonderà i segreti cosmici usando le supernovae


Questa illustrazione mostra una nana bianca che accresce la materia da una stella compagna. Una volta che la nana bianca raggiunge un punto di ribaltamento di massa specifico, esplode come una supernova di tipo Ia.

L’imminente telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA vedrà migliaia di stelle in esplosione chiamate supernovae in vasti tratti del tempo e dello spazio. Utilizzando queste osservazioni, gli astronomi mirano a far luce su diversi misteri cosmici, fornendo una finestra sul lontano passato dell’universo e sul nebuloso presente.


L’indagine sulle supernovae di Roman aiuterà a chiarire le misure contrastanti di quanto velocemente l’universo si stia attualmente espandendo, e anche a fornire un nuovo modo per sondare la distribuzione della materia oscura, che è rilevabile solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. Uno degli obiettivi scientifici primari della missione consiste nell’utilizzare le supernovae per aiutare ad individuare la natura dell’energia oscura – l’inspiegabile pressione cosmica che sta accelerando l’espansione dell’universo.

Il più grande mistero dello spazio

“L’energia oscura costituisce la maggior parte del cosmo, ma in realtà non sappiamo cosa sia”, ha detto Jason Rhodes, un ricercatore senior del Jet Propulsion Laboratory della NASA nella California del Sud. “Restringendo le possibili spiegazioni, Roman potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo – e l’energia oscura è solo uno dei molti argomenti che la missione esplorerà!

Roman userà diversi metodi per studiare l’energia oscura. Uno consiste nel sondare il cielo alla ricerca di un tipo speciale di stella che esplode, chiamata supernova di tipo Ia.

Molte supernovae si verificano quando stelle massicce esauriscono il carburante, collassano rapidamente sotto il loro stesso peso e poi esplodono a causa delle forti onde d’urto che escono fuori dal loro interno. Queste supernovae si verificano circa una volta ogni 50 anni nella nostra galassia. Ma le prove mostrano che le supernovae di tipo Ia hanno origine da alcuni sistemi stellari binari che contengono almeno una nana bianca – il piccolo, caldo nucleo residuo di una stella simile al Sole. Le supernovae di tipo Ia sono molto più rare, avvengono circa una volta ogni 500 anni nella Via Lattea.

In alcuni casi, la nana può aspirare materiale dalla sua compagna. Questo alla fine innesca una reazione a catena che fa esplodere la ladra una volta raggiunto un punto specifico in cui ha guadagnato così tanta massa da diventare instabile. Gli astronomi hanno anche trovato prove a sostegno di un altro scenario, che coinvolge due nane bianche che spiraleggiano l’una verso l’altra fino a fondersi. Se la loro massa combinata è abbastanza alta da portare all’instabilità, anche loro possono produrre una supernova di tipo Ia.

Queste esplosioni raggiungono un picco di luminosità intrinseca simile e noto, rendendo le supernove di tipo Ia le cosiddette candele standard – oggetti o eventi che emettono una quantità specifica di luce, permettendo agli scienziati di trovare la loro distanza con una formula semplice. Grazie a questo, gli astronomi possono determinare la distanza delle supernovae semplicemente misurando la loro luminosità.

Gli astronomi useranno anche Roman per studiare la luce di queste supernovae per scoprire quanto velocemente sembrano allontanarsi da noi. Confrontando la velocità con cui si allontanano a distanze diverse, gli scienziati tracceranno l’espansione cosmica nel tempo. Questo ci aiuterà a capire se e come l’energia oscura è cambiata nel corso della storia dell’universo.

“Alla fine degli anni ’90, gli scienziati hanno scoperto che l’espansione dell’universo stava accelerando utilizzando decine di supernovae di tipo Ia”, ha detto Daniel Scolnic, un assistente professore di fisica alla Duke University di Durham, North Carolina, che sta aiutando a progettare l’indagine di Roman sulle supernovae.

“Roman ne troverà a migliaia, e molto più lontano della maggior parte di quelle che abbiamo visto finora”.

Le precedenti indagini sulle supernove di tipo Ia si sono concentrate sull’universo relativamente vicino, in gran parte a causa delle limitazioni degli strumenti. La visione a infrarossi di Roman, il suo gigantesco campo visivo e la sua squisita sensibilità estenderanno drasticamente la ricerca, tirando le tende cosmiche abbastanza lontano da permettere agli astronomi di individuare migliaia di supernovae di tipo Ia lontane.

La missione studierà in dettaglio l’influenza dell’energia oscura su più della metà della storia dell’universo, quando aveva tra i quattro e i 12 miliardi di anni. Esplorare questa regione relativamente poco esplorata aiuterà gli scienziati ad aggiungere pezzi cruciali al puzzle dell’energia oscura.

“Le supernovae di tipo Ia sono tra le più importanti sonde cosmologiche che abbiamo, ma sono difficili da vedere quando sono lontane”, ha detto Scolnic. “Abbiamo bisogno di misure estremamente precise e di uno strumento incredibilmente stabile, che è esattamente ciò che Roman fornirà”.

L’imminente telescopio spaziale Nancy Grace Roman della NASA vedrà migliaia di stelle che esplodono chiamate supernovae in vasti tratti di tempo e spazio. Utilizzando queste osservazioni, gli astronomi mirano a far luce su diversi misteri cosmici, fornendo una finestra sul lontano passato e sul nebuloso presente dell’universo(VIDEO).

Le discrepanze della costante di Hubble

Oltre a fornire un controllo incrociato con le altre indagini sull’energia oscura della missione, le osservazioni di supernova di tipo Ia di Roman potrebbero aiutare gli astronomi a esaminare un altro mistero. Le discrepanze continuano a spuntare nelle misurazioni della costante di Hubble, che descrive quanto velocemente l’universo si sta espandendo.

Le previsioni basate sui dati del primo universo, da circa 380.000 anni dopo il big bang, indicano che il cosmo dovrebbe attualmente espandersi a circa 67 chilometri al secondo per ogni megaparsec di distanza (un megaparsec è circa 3,26 milioni di anni luce). Ma le misurazioni dell’universo moderno indicano un’espansione più veloce, tra circa 70 e 76 chilometri al secondo per megaparsec.

Roman aiuterà esplorando diverse potenziali fonti di queste discrepanze. Alcuni metodi per determinare la velocità di espansione dell’universo si basano sulle supernovae di tipo Ia. Mentre queste esplosioni sono notevolmente simili, ed è per questo che sono strumenti preziosi per misurare le distanze, esistono piccole variazioni. La vasta indagine di Roman potrebbe migliorare il loro uso come candele standard aiutandoci a capire cosa causa le variazioni.

La missione dovrebbe rivelare come le proprietà delle supernovae di tipo Ia cambiano con l’età, dal momento che le vedrà attraverso una così vasta gamma di storia cosmica. Roman individuerà anche queste esplosioni in varie posizioni nelle galassie che le ospitano, il che potrebbe offrire indizi su come l’ambiente di una supernova altera la sua esplosione.

Illuminare la materia oscura

In un documento del 2020, un team guidato da Zhongxu Zhai, un associato di ricerca post-dottorato al Caltech/IPAC di Pasadena, in California, ha dimostrato che gli astronomi saranno in grado di raccogliere ancora più informazioni cosmiche dalle osservazioni di supernova di Roman.

“Roman dovrà guardare attraverso enormi tratti di universo per vedere supernovae lontane”, ha detto Yun Wang, un ricercatore senior al Caltech/IPAC e coautore dello studio. “Molte cose possono accadere alla luce in viaggi così lunghi attraverso lo spazio. Abbiamo dimostrato che possiamo imparare molto sulla struttura dell’universo analizzando come la luce dalle supernovae di tipo Ia è stata piegata mentre viaggiava oltre la materia intermedia”.

Tutto ciò che ha massa deforma il tessuto dello spazio-tempo. La luce viaggia in linea retta, ma se lo spazio-tempo è piegato – cosa che accade vicino a oggetti massicci – la luce segue la curva. Quando guardiamo le supernovae di tipo Ia lontane, lo spazio-tempo deformato intorno alla materia che interviene – come le singole galassie o gli ammassi di materia oscura – può ingrandire la luce dell’esplosione più lontana.

Studiando questa luce ingrandita, gli scienziati avranno un nuovo modo per sondare come la materia oscura è raggruppata in tutto l’universo. Imparare di più sulla materia che compone il cosmo aiuterà gli scienziati a perfezionare il loro modello teorico di come l’universo si evolve.

Tracciando il comportamento dell’energia oscura nella storia cosmica, individuando come l’universo si stia espandendo oggi e fornendo maggiori informazioni sulla misteriosa materia oscura, la missione Roman fornirà una valanga di dati agli astronomi che cercano di risolvere questi e altri problemi di vecchia data. Con la sua capacità di aiutare a risolvere così tanti misteri cosmici, Roman sarà uno degli strumenti più importanti per studiare l’universo che abbiamo mai costruito.

Fonte