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Mirar el universo es como mirarse en un espejo de feria. Esto se debe a que la gravedad deforma el tejido del espacio, creando ilusiones ópticas.
Muchas de estas ilusiones ópticas aparecen cuando la luz de una galaxia lejana se amplía, se estira y se aclara al pasar por una galaxia masiva o un cúmulo de galaxias situado delante de ella. Este fenómeno, llamado lente gravitacional, produce imágenes múltiples, estiradas y brillantes de la galaxia de fondo.
Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias tan distantes que no pueden verse más que por los efectos de las lentes gravitacionales. El reto consiste en intentar reconstruir las galaxias lejanas a partir de las extrañas formas producidas por las lentes.
Pero los astrónomos que utilizan el telescopio espacial Hubble se toparon con una de esas formas extrañas mientras analizaban los cuásares, los núcleos ardientes de las galaxias activas. Observaron dos objetos brillantes y lineales que parecían ser imágenes especulares el uno del otro. Otro objeto extraño estaba cerca.
Las características desconcertaron tanto a los astrónomos que tardaron varios años en desentrañar el misterio. Con la ayuda de dos expertos en lentes gravitacionales, los investigadores determinaron que los tres objetos eran las imágenes distorsionadas de una galaxia lejana y aún no descubierta. Pero la mayor sorpresa fue que los objetos lineales eran copias exactas los unos de los otros, un hecho poco frecuente causado por la alineación precisa de la galaxia de fondo y el cúmulo de lentes de primer plano.
Los astrónomos han visto cosas muy extrañas repartidas por nuestro vasto universo, desde estrellas que explotan hasta galaxias que colisionan. Así que se podría pensar que, cuando ven un objeto celeste extraño, son capaces de identificarlo.
Pero el telescopio espacial Hubble de la NASA descubrió lo que parece ser un par de objetos idénticos que tienen un aspecto tan extraño que los astrónomos tardaron varios años en determinar lo que son.
"Estábamos realmente perplejos", dijo el astrónomo Timothy Hamilton de la Universidad Estatal de Shawnee en Portsmouth, Ohio.
Los extraños objetos consisten en un par de protuberancias de galaxias (el núcleo central lleno de estrellas de una galaxia) y al menos tres rayas divididas casi paralelas. Hamilton los descubrió por accidente mientras utilizaba el Hubble para estudiar una colección de cuásares, los núcleos ardientes de las galaxias activas.
Después de perseguir teorías sin salida, solicitar ayuda a sus colegas y rascarse mucho la cabeza, Hamilton y el equipo, cada vez más numeroso, dirigido por Richard Griffiths, de la Universidad de Hawai en Hilo, reunieron finalmente todas las pistas para resolver el misterio.
Los objetos lineales eran las imágenes estiradas de una galaxia distante con lente gravitacional, situada a más de 11.000 millones de años luz. Y parecían ser imágenes especulares la una de la otra.
El equipo descubrió que la inmensa gravedad de un cúmulo de galaxias en primer plano, no catalogado, estaba deformando el espacio, ampliando, iluminando y estirando la imagen de una galaxia distante detrás de ella, un fenómeno llamado lente gravitacional. Aunque los sondeos del Hubble revelan muchas de estas distorsiones en forma de espejo causadas por las lentes gravitacionales, este objeto era especialmente desconcertante.
En este caso, una alineación precisa entre una galaxia de fondo y un cúmulo de galaxias en primer plano produce copias gemelas ampliadas de la misma imagen de la galaxia remota. Este extraño fenómeno se produce porque la galaxia de fondo se encuentra a caballo entre una ondulación del tejido espacial. Esta "ondulación" es una zona de gran aumento, causada por la gravedad de densas cantidades de materia oscura, el pegamento invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo. Cuando la luz de la galaxia lejana atraviesa el cúmulo a lo largo de esta ondulación, se producen dos imágenes en espejo, junto con una tercera imagen que puede verse a un lado.
Griffiths compara este efecto con los patrones ondulados brillantes que se ven en el fondo de una piscina. "Piensa en la superficie ondulada de una piscina en un día soleado, que muestra patrones de luz brillante en el fondo de la piscina", explica. "Estos patrones brillantes en el fondo son causados por un efecto similar al de las lentes gravitacionales. Las ondulaciones de la superficie actúan como lentes parciales y concentran la luz solar en patrones brillantes en el fondo".
En la galaxia distante con lente gravitacional, la ondulación amplía y distorsiona en gran medida la luz de la galaxia de fondo que atraviesa el cúmulo. La ondulación actúa como un espejo curvo imperfecto que genera las copias duales.
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| El telescopio espacial Hubble se despliega el 25 de abril de 1990 desde el transbordador espacial Discovery. Evitando las distorsiones de la atmósfera, el Hubble tiene una visión sin obstáculos de planetas, estrellas y galaxias, algunas a más de 13.400 millones de años luz. Crédito: NASA/Smithsonian Institution/Lockheed Corporation |
Resolviendo el misterio
Pero este raro fenómeno no era bien conocido cuando Hamilton detectó los extraños rasgos lineales en 2013.
Al examinar las imágenes del cuásar, destacó la instantánea de las imágenes reflejadas y las rayas paralelas. Hamilton nunca había visto nada parecido, ni tampoco otros miembros del equipo.
"Mi primer pensamiento fue que tal vez se trataba de galaxias en interacción con brazos estirados por la marea", dijo Hamilton. "No encajaba muy bien, pero no sabía qué más pensar".
Así que Hamilton y el equipo comenzaron su búsqueda para resolver el misterio de estas tentadoras líneas rectas, que más tarde fueron apodadas el Objeto de Hamilton en honor a su descubridor. Mostraron la extraña imagen a sus colegas en conferencias de astronomía, lo que provocó una variedad de respuestas, desde cuerdas cósmicas hasta nebulosas planetarias.
Pero entonces Griffiths, que no era miembro del equipo original, ofreció la explicación más plausible cuando Hamilton le mostró la imagen en una reunión de la NASA en 2015. Se trataba de una imagen ampliada y distorsionada causada por un fenómeno de lente similar a los observados en las imágenes del Hubble de otros cúmulos de galaxias masivas que amplifican las imágenes de galaxias muy lejanas. Griffiths confirmó esta idea cuando se enteró de la existencia de un objeto lineal similar en uno de los sondeos de cúmulos profundos del Hubble.
Sin embargo, los investigadores seguían teniendo un problema. No podían identificar el cúmulo lente. Normalmente, los astrónomos que estudian los cúmulos de galaxias ven primero el cúmulo en primer plano que está causando la lente, y luego encuentran las imágenes ampliadas de las galaxias distantes dentro del cúmulo. Una búsqueda en las imágenes del Sloan Digital Sky Survey reveló que un cúmulo de galaxias residía en la misma zona que las imágenes ampliadas, pero no aparecía en ningún estudio catalogado. Sin embargo, el hecho de que las imágenes extrañas estuvieran en el centro de un cúmulo dejó claro a Griffiths que el cúmulo estaba produciendo las imágenes con lente.
El siguiente paso de los investigadores fue determinar si las tres imágenes con lente se encontraban a la misma distancia y, por lo tanto, eran todas los retratos distorsionados de la misma galaxia lejana. Las mediciones espectroscópicas realizadas con los observatorios Gemini y W. M. Keck, en Hawai, ayudaron a los investigadores a realizar esa confirmación, mostrando que las imágenes con lente procedían de una galaxia situada a más de 11.000 millones de años luz.
La galaxia remota, basada en una reconstrucción de la tercera imagen con lente, parece ser una espiral barrada de borde con formación estelar continua y agitada.
Más o menos al mismo tiempo que las observaciones espectroscópicas de Griffiths y los estudiantes de Hilo, otro grupo de investigadores de Chicago identificó el cúmulo y midió su distancia utilizando los datos de Sloan. El cúmulo se encuentra a más de 7.000 millones de años luz.
Pero, con muy poca información sobre el cúmulo, el equipo de Griffiths seguía luchando por saber cómo interpretar estas inusuales formas de lente. "Esta lente gravitacional es muy diferente de la mayoría de las lentes que fueron estudiadas antes por el Hubble, en particular en el sondeo de cúmulos de los Campos Fronterizos del Hubble", explicó Griffiths. "No hace falta mirar esos cúmulos durante mucho tiempo para encontrar muchas lentes. En este objeto, ésta es la única lente que tenemos. Y al principio ni siquiera sabíamos de la existencia del cúmulo".
Mapeando lo invisible
Fue entonces cuando Griffiths llamó a una experta en teoría de lentes gravitacionales, Jenny Wagner, de la Universidad de Heidelberg (Alemania). Wagner había estudiado objetos similares y, junto con su colega Nicolas Tessore, ahora en la Universidad de Manchester (Inglaterra), desarrolló un programa informático para interpretar lentes únicas como ésta. Su software ayudó al equipo a averiguar cómo se produjeron las tres imágenes con lente. Llegaron a la conclusión de que la materia oscura que rodea a las imágenes tensadas tuvo que estar distribuida "suavemente" en el espacio a pequeñas escalas.
"Es genial que sólo necesitemos dos imágenes en espejo para obtener la escala de lo grumosa o no que puede ser la materia oscura en estas posiciones", dijo Wagner. "Aquí no utilizamos ningún modelo de lente. Sólo tomamos los observables de las múltiples imágenes y el hecho de que pueden transformarse una en otra. Con nuestro método se pueden plegar unas en otras. Esto ya nos da una idea de lo suave que debe ser la materia oscura en estas dos posiciones".
Este resultado es importante, dijo Griffiths, porque los astrónomos aún no saben qué es la materia oscura, casi un siglo después de su descubrimiento. "Sabemos que es alguna forma de materia, pero no tenemos ni idea de cuál es la partícula que la constituye. Así que no sabemos en absoluto cómo se comporta. Sólo sabemos que tiene masa y que está sometida a la gravedad". La importancia de los límites de tamaño en la aglomeración o suavidad es que nos da algunas pistas sobre lo que podría ser la partícula. Cuanto más pequeñas sean las aglomeraciones de materia oscura, más masivas deben ser las partículas".
Fuentes, creditos y referencias:
Richard E Griffiths et al, Hamilton's Object – a clumpy galaxy straddling the gravitational caustic of a galaxy cluster: constraints on dark matter clumping, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab1375
Imagen: Esta instantánea del telescopio espacial Hubble muestra tres imágenes ampliadas de una galaxia lejana incrustada en un cúmulo de galaxias. Estas imágenes se producen por un truco de la naturaleza llamado lente gravitacional. La inmensa gravedad del cúmulo de galaxias amplía y distorsiona la luz de la galaxia distante que hay detrás, creando las múltiples imágenes. El cúmulo de galaxias, catalogado como SDSS J223010.47-081017.8, está a 7.000 millones de años luz de la Tierra. El Hubble ha observado muchas galaxias con lentes gravitacionales. Sin embargo, las imágenes detectadas en esta instantánea del Hubble son únicas. Dos de las imágenes ampliadas, mostradas en el desplegable de abajo a la derecha, son copias exactas la una de la otra. Los dos óvalos brillantes son los núcleos de la galaxia. Este raro fenómeno se produce porque la galaxia de fondo se encuentra a caballo entre una ondulación en el tejido del espacio. Esta "ondulación" es una zona de gran aumento, causada por la gravedad de densas cantidades de materia oscura, el pegamento invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo. A medida que la luz de la galaxia lejana atraviesa el cúmulo a lo largo de esta ondulación, se producen dos imágenes en espejo, junto con una tercera imagen que puede verse a un lado. En el desplegable de arriba a la derecha se muestra un primer plano de la tercera imagen. Esta imagen es la que más se parece a la galaxia remota, situada a más de 11.000 millones de años luz. Basándose en una reconstrucción de esta imagen, los investigadores determinaron que la galaxia lejana parece una espiral barrada de canto con una formación estelar continua y grumosa. Las imágenes en espejo reciben el nombre de "Objeto de Hamilton" en honor al astrónomo que las descubrió. Crédito: AUTOR PRINCIPAL: NASA, ESA, Richard E. Griffiths (UH Hilo), CO-AUTOR: Jenny Wagner (ZAH), PROCESAMIENTO DE LA IMAGEN: Joseph DePasquale (STScI)