Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb, gli astronomi hanno catturato un’immagine straordinaria di una supernova distante in una galassia che sembra essere allungata come una caramella calda. Tuttavia, il bagliore dorato che nasconde questa supernova lenticolizzata, soprannominata “supernova Hope”, non è notevole solo per il suo valore estetico. La supernova, esplosa quando l’universo di 13,8 miliardi di anni aveva solo circa 3,5 miliardi di anni, ci offre informazioni su un grande problema in cosmologia chiamato “tensione di Hubble”. La tensione di Hubble deriva dal fatto che gli scienziati non riescono a concordare sul tasso di espansione esatto dell’universo, determinato dalla costante di Hubble. In sostanza, il tasso può essere misurato partendo dall’universo locale (e quindi recente), per poi tornare indietro nel tempo – oppure può essere calcolato partendo dall’universo distante (e quindi primordiale), per poi avanzare. Il problema è che entrambi i metodi forniscono valori che non concordano tra loro. Qui entra in gioco il Telescopio Spaziale James Webb (JWST). Le supernovae lenticolizzate nell’universo primordiale che il JWST sta osservando potrebbero fornire un terzo modo di misurare il tasso, potenzialmente aiutando a risolvere questo “problema di Hubble”. “La supernova è stata chiamata ‘supernova Hope’ perché offre agli astronomi la speranza di comprendere meglio il cambiamento nel tasso di espansione dell’universo,” ha dichiarato Brenda Frye, leader del team di studio e ricercatrice dell’Università dell’Arizona, in una dichiarazione. Questa indagine sulla supernova Hope è iniziata quando Frye e il suo team globale di scienziati hanno trovato tre curiose scie di luce in un’immagine JWST di un cluster di galassie distante e densamente affollato. Quei punti di luce non erano visibili quando il Telescopio Spaziale Hubble ha fotografato lo stesso cluster, noto come PLCK G165.7+67.0, o più semplicemente, G165, nel 2015.

“È iniziato tutto con una domanda del team: ‘Cosa sono quei tre punti che non c’erano prima? Potrebbe essere una supernova?'” ha detto Frye. “Le analisi iniziali hanno confermato che questi punti corrispondevano a una stella esplosa, una con qualità rare.” Lo spazio attorno a G165 è stato selezionato per il programma PEARLS perché è nel bel mezzo di un “starburst”, un periodo di intensa formazione stellare, producendo 300 masse solari di stelle all’anno. Tali elevati tassi di formazione stellare sono correlati a un numero maggiore di esplosioni di supernova. Una supernova di Tipo Ia è rappresentata in questa illustrazione dell’artista. (Crediti immagine: ESA) La supernova Hope è un tipo specifico di supernova chiamata supernova di Tipo Ia. Queste supernovae si verificano in sistemi binari che contengono una stella della sequenza principale, come il sole, e una stella che ha esaurito il suo combustibile per la fusione nucleare ed è diventata un guscio morto, chiamato nana bianca. Se questi corpi stellari sono abbastanza vicini, la stella morta può comportarsi come un vampiro cosmico, traendo plasma dalla stella viva o “donatrice”. Man mano che questo continua, il materiale si accumula fino a innescare un’esplosione termonucleare, esplosioni che vediamo come supernova di Tipo Ia. Grazie alla loro uniformità nei lampi di luce, queste supernovae rappresentano uno strumento eccellente che gli astronomi possono utilizzare per misurare le distanze cosmiche. Gli astronomi, quindi, si riferiscono alle supernovae di Tipo Ia come “candele standard”. Un modo per ottenere un valore della costante di Hubble è osservare le supernovae di Tipo Ia nell’universo locale per misurare le loro distanze da noi e tra di loro, e poi misurare quanto velocemente si stanno allontanando. L’altro principale metodo per misurare l’espansione dell’universo implica osservazioni dell’universo distante, quindi calcolare quanto rapidamente si sta espandendo il cosmo per deduzione. Tuttavia, nuovamente, questi metodi non concordano. Tuttavia, la supernova Hope potrebbe fungere da ponte tra i due metodi.

Einstein offre una mano. Il lensing gravitazionale è un effetto previsto nella teoria della gravità di Albert Einstein, che è stata creata nel 1915 e si chiama “relatività generale”. La relatività generale suggerisce che gli oggetti con massa causano la deformazione dello spaziotempo, l’unificazione quadridimensionale di spazio e tempo, con la gravità che nasce da questa curvatura. Maggiore è la massa dell’oggetto, più estrema è la curvatura dello spazio e, di conseguenza, maggiore è l’influenza gravitazionale che quell’oggetto esercita. Questo è ciò che causa le orbite delle lune attorno ai pianeti, dei pianeti attorno alle stelle e delle stelle attorno ai buchi neri supermassicci. Questa curvatura dello spaziotempo ha un altro effetto interessante. Quando la luce passa vicino a un oggetto con una forte influenza di curvatura, che ora chiameremo “lente gravitazionale”, il percorso della luce viene piegato attorno alla deformazione dell’oggetto. Il percorso che la luce segue dipende da quanto si avvicina alla lente gravitazionale. Ciò significa che la luce proveniente dallo stesso oggetto può seguire percorsi curvati a diversi gradi e con lunghezze diverse. Pertanto, questa luce può arrivare a telescopi come il JWST in tempi diversi. È così che un oggetto di sfondo lenticolizzato può sembrare “sfocato” come una caramella o apparire in più punti nella stessa immagine. Questo è ciò che sta accadendo alla supernova Hope in quest’immagine mentre la sua luce passa attraverso la lente gravitazionale G165. Questa illustrazione mostra un fenomeno noto come lensing gravitazionale, utilizzato dagli astronomi per studiare galassie molto distanti e molto deboli. (Crediti immagine: NASA, ESA e L. Calçada) “Il lensing gravitazionale è importante per questo esperimento. La lente, costituita da un cluster di galassie situato tra la supernova e noi, piega la luce della supernova in più immagini,” ha dichiarato Frye. “Questo è simile a come uno specchio da toeletta a tre ante presenta tre diverse immagini di una persona seduta davanti ad esso.” La ricercatrice dell’Università dell’Arizona ha spiegato che l’effetto è stato dimostrato proprio davanti agli occhi del team nell’immagine JWST di G165, dove l’immagine centrale della supernova sembrava ruotata rispetto alle altre due immagini. “Per ottenere tre immagini, la luce ha viaggiato lungo tre percorsi diversi. Poiché ciascun percorso aveva una lunghezza diversa, e la luce viaggiava alla stessa velocità, la supernova è stata ripresa in questa osservazione del JWST in tre momenti diversi durante la sua esplosione,” ha continuato Frye. “Nell’analogia dello specchio a tre ante, è emerso un ritardo di tempo in cui lo specchio di destra mostrava una persona che sollevava un pettine, lo specchio sinistro mostrava i capelli pettinati e lo specchio centrale mostrava la persona che posava il pettine.” Le immagini supernova a tre ante sono speciali. I ritardi di tempo, la distanza della supernova e le proprietà di lensing gravitazionale forniscono un valore per la costante di Hubble. “Uno sguardo più da vicino alla caramella galattica contiene tre istanze della supernova Hope.” (Crediti immagine: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Frye (Università dell’Arizona), R. Windhorst (Università della Stato dell’Arizona), S. Cohen (Università della Stato dell’Arizona), J. D’Silva (Università dell’Australia Occidentale, Perth), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), J. Summers (Università della Stato dell’Arizona).) Il team ha seguito la supernova Hope con il JWST oltre a strumenti basati sulla Terra, inclusi il telescopio MMT di 6,5 metri sul Monte Hopkins e il Large Binocular Telescope sul Monte Graham, entrambi situati in Arizona. Questo ha portato il team a confermare che la supernova Hope è ancorata a una galassia di sfondo ben dietro il cluster di lente G165. La luce dell’esplosione cosmica ha viaggiato verso la Terra per 10,3 miliardi di anni, il che significa che questa nana bianca ha esploso il suo lato solo 3,5 miliardi di anni dopo il Big Bang. “Un membro del team ha effettuato un’altra misura di ritardo di tempo analizzando l’evoluzione della sua luce dispersa nei colori costitutivi o ‘spettro’ dal JWST, confermando la natura di Tipo Ia della supernova Hope,” ha affermato Frye. “La supernova Hope è una delle supernova di Tipo Ia più lontane mai osservate fino ad oggi.” Nonostante esistesse nell’universo primordiale, il valore della costante di Hubble fornito dalle osservazioni della supernova Hope sembra corrispondere con le misurazioni di altre candele standard nell’universo locale, discordando quindi con le misurazioni di altri oggetti nell’universo primordiale. “I risultati del nostro team sono significativi,” 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.” La ricerca del team è in fase di revisione tra pari prima della pubblicazione.