Supernova and Cepheids of Spiral Galaxy UGC 9391 and the Expanding Universe

Hubble Space Telescope image of UGC 9391

Credits: NASA, ESA and A. Riess (STScI/JHU)

The Supernova and Cepheids of Spiral Galaxy UGC 9391 can tell us much about the expansion rate of the universe. This galaxy contains Cepheid variable stars (red circles) and recently Type Ia supernova (blue X). Both of this objects are used in measuring distances in the Universe and are known as standard candles, typically Cepheids are seen relatively nearby, while supernovas are seen much further away. So this presents a good opportunity to calibrate distances between the near and distant parts of our universe. 

Given recent data analysis obtain by a team of astronomers, led by Nobel Laureate Adam Riess using the NASA/ESA Hubble Space Telescope, having measured this spiral galaxy and a total of nineteen more, has unexpectedly yield slightly faster velocity of expansion of the Universe from expansion measurements of the early universe, leaving astrophysicists vigorously speculating about possible reasons for this discrepancy. This results are the most accurate today.

The fact is that the Universe is currently expanding faster than the rate derived from measurements of the Universe shortly after the Big Bang. This estimated value is between five and nine percent faster than previously calculated. If this is finally confirmed, it will be an important clue to understanding three of the Universe’s most elusive components: dark matter, dark energy and neutrinos. 

One possible explanation for this unexpectedly fast expansion of the Universe is a new type of subatomic particle that may have changed the balance of energy in the early Universe, so called dark radiation, and perhaps making possible to understand those mysterious parts of the Universe that make up 95 percent of everything and don’t emit light.

Before Hubble was launched in 1990, estimates of the Hubble Constant varied by a factor of two. In the late 1990s the Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale refined the value of the Hubble constant to within 10 percent, accomplishing one of the telescope’s key goals. The new, improved Hubble constant value is 73.02 kilometres per second per Megaparsec (where one Megaparsec is equivalent to 3.26 million light-years).

But How the measurements are done? Using the so called standard candle, an object of known luminosity embedded in the object whose distance is to be determined. One such objects is the pulsating giant stars called Cepheids. These pulsating stars fade and brighten at rates that are proportional to their true brightness and this property allows astronomers to determine their distances. The other object used was employing Type Ia supernova for they appear to have approximately the same peak luminosity since it is the thermonuclear explosion of a white dwarf that is at the Chandrasekhar limit, which is a critical mass is similar for all white dwarfs, being reasonable to suppose that they should all have similar luminosities, and can therefore be used as standard candles.

Sources: Starship Asterisk*, NASA, Hubble, Wikipedia, Astronomy Picture of the Day (APOD), Chandra

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Supernova, Cefeidas de la Galaxia Espiral UGC 9391 y la expansión del Universo

Cepheids in UGC 9391 red circle, blue x Supernova Type Ia
Credit: NASA, ESA, L. Frattare (STScI), A. Riess (STScI/JHU)

Las supernovas y cefeidas de la Galaxia Espiral UGC 9391 pueden contarnos mucho acerca del porcentaje de expansión del universo. Esta galaxia contiene cefeidas variable (círculo rojo) y recientemente supernova tipo Ia (azul X). ambos objetos son utilizados para la medición de las distancias en el universo y se les conocen por candelas estándar, típicamente las cefeidas son usadas para distancias relativamente cercanas, mientras que las supernovas se ven mucho más lejos. Así pues, se presentaba una buena oportunidad para calibrar distancias entre distancias cercanas y partes lejanas de nuestro universo.

Dada la información de los análisis obtenidos recientemente por un equipo de astrónomos, liderados por el laureado Nobel Adam Riess y usando el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA y habiendo medido esta galaxia espiral y un total de otras diecinueve más, se dieron inesperados resultados que daban una velocidad de expansión del universo ligeramente superior al grado de expansión que presenta el universo temprano, dejando a los astrofísicos especulando efusivamente acerca de posibles razones de esta discrepancia. Siendo estos los resultados más fiables hasta la fecha.

El hecho es que actualmente el universo se expande en un porcentaje mayor del que lo hacía poco después de que ocurriese el Big Bang. Este valor estimado es entre un cinco y nueve por ciento más rápido de lo que se había calculado previamente. Si finalmente se confirma esto, sería una importante pista para resolver tres de los más elusivos componentes del universo: la materia oscura, la energía oscura y los neutrinos.

Una posible explicación para esta rápida expansión del universo podría ser un nuevo tipo de partícula subatómica que pudo cambiar el balance de energía del universo temprano, la llamada radiación oscura, haciendo así que posiblemente se entienda esas partes misteriosas del universo que componen el 95 por ciento de todo y que no emiten luz.

Antes del lanzamiento del Hubble en 1990, estimaciones de la constante de Hubble variaron en un 2 por ciento. A finales de los noventa una de los proyectos y prioridades claves del Hubble fue refinar el valor de las distancias extra galácticas hasta un 10 por ciento, y así se cumplía un de los objetivos del telescopio. El nuevo valor de la constante de Hubble es de 73,02 kilómetros por segundo por Megaparsec (Un Megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz).

¿Pero cómo se hacen las mediciones? Usando el método de candelas estándar, que son objetos de conocida luminosidad y asociados al objeto a determinar. Uno de estos objetos son las estrellas pulsante gigantes conocidas como cefeidas. Estas estrellas pulsantes disminuyen e incrementan su luminosidad en porcentajes proporcionalmente a su brillo real por lo tanto esta propiedad es usada por los astrónomos para determinar sus distancias. El otro método es usar las supernovas tipo Ia, porque estas poseen el mismo pico de luminosidad ya que son producidas por una explosión termonuclear de una enana blanca en el límite de Chandrasekhar, siendo esto una masa crítica para todas las enanas blancas, por lo que es de suponer que todas estas tendrán la misma luminosidad, por lo que también se usan como candelas estándar.

Cosmic Distance Ladder - Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), A. Riess (STScI/JHU) /

Escalera de distancia cósmica  - Credito: NASA, ESA, A. Feild (STScI), A. Riess (STScI/JHU) /

period-luminosity curve plotted for Cepheid /
curva de periodo-luminosidad de Cefeidas

RS Puppis is one of the brightest known Cepheid variable stars in the Milky Way galaxy; image, Hubble Space Telescope /
RS Puppis es una de la cefeidas brillantes mas conocidas en la Vía Láctea, imagen, Hubble Space Telescope

Supernova Type Ia. Illustration: NASA/CXC/M.Weiss /
Supernova Tipo Ia. Ilustración: NASA/CXC/M.Weiss /

Sources: Starship Asterisk*, NASA, Hubble, Wikipedia, Astronomy Picture of the Day (APOD), Chandra