Seis casos del mismo cuásar en una imagen del JWST que indica el descubrimiento del primer zig-zag de Einstein.(Crédito de la imagen: Dux et al . 2024)
Gracias al telescopio espacial James Webb, los astrónomos han descubierto el primer «zig-zag de Einstein», una imagen de un cuásar repetida seis veces en una sola imagen. La disposición se creó gracias a un efecto propuesto por primera vez por Albert Einstein en 1915 llamado «lente gravitacional», y podría ayudar a los científicos a evitar una crisis en la cosmología.
Este sistema, denominado J1721+8842, está formado por un cuásar, que es un núcleo galáctico extremadamente luminoso, captado por dos galaxias muy separadas, pero perfectamente alineadas. No sólo se trata de un avistamiento increíblemente raro, que constituye un fascinante ejemplo de un curioso fenómeno de curvatura del espacio-tiempo introducido en la magnum opus de la teoría de la gravedad de Albert Einstein, la relatividad general, sino que el zig-zag de J1721+8842 también tiene un poder que las lentes gravitatorias estándar no tienen. El primer zig-zag de Einstein visto por la humanidad podría ayudar a los científicos a abordar dos de los mayores misterios de la cosmología. El primer misterio se refiere a la naturaleza de la energía oscura, o la fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo y que representa alrededor del 70% del presupuesto de energía y materia cósmicas, y el segundo tiene que ver con una disparidad que los científicos encuentran al medir el valor de la velocidad de expansión del universo: la constante de Hubble.
«Estoy encantado, no sólo porque se trata de un fenómeno natural fascinante, sino también porque este sistema es increíblemente prometedor para medir parámetros cosmológicos», declaró a universeexpedition.com Martin Millon, miembro del equipo de descubrimiento y cosmólogo de la Universidad de Stanford. «Este sistema de lentes ofrece la posibilidad de imponer restricciones estrictas tanto a la constante de Hubble como a la ecuación de estado de la energía oscura, algo que generalmente no es posible»
¿Qué es una lente gravitatoria?
La relatividad general afirma que los objetos con masa provocan una curvatura en el propio tejido del espacio y el tiempo, unidos como una sola entidad llamada «espaciotiempo». Cuanto mayor es la masa de un objeto, mayor es la «abolladura» que provoca en el espaciotiempo. Como la gravedad surge de esta curvatura, cuanta más masa tenga un objeto, mayor será su influencia gravitatoria.
Las lentes gravitacionales se producen cuando la luz de una fuente de fondo pasa por delante de un cuerpo masivo en su camino hacia la Tierra y sigue la curvatura resultante en el espacio, haciendo que su propia trayectoria se curve. Así pues, la luz procedente de esta fuente de fondo sigue diferentes trayectorias alrededor de una lente gravitatoria, acercándose a la masa lente a diferentes distancias y curvándose en distinta medida. Esto significa que la luz de la misma fuente de fondo puede llegar en distintos momentos al mismo telescopio, de modo que un mismo cuerpo emisor de luz de fondo puede aparecer en varios lugares de una misma imagen. Estos objetos pueden formar disposiciones como anillos de Einstein, cruces de Einstein y, en este caso único, un zig-zag de Einstein.
Un diagrama muestra cómo la curvatura del espaciotiempo conduce a la lente gravitacional. (Crédito de la imagen: NASA, ESA & L. Calçada)En realidad, el JWST no fue el primer telescopio en detectar J1721+8842. El cuásar con lente, que se compone más específicamente de gas brillante y polvo alrededor de un agujero negro supermasivo que se alimenta, fue visto por Cameron Lemon en 2017 utilizando el Telescopio de Sondeo Panorámico y Sistema de Respuesta Rápida (Pan-STARRS) ubicado en el Observatorio Haleakala en Hawái.
Al principio, parecía que el cuásar sólo tenía cuatro lentes. Sin embargo, la sensibilidad del JWST ha revelado que, en realidad, dos galaxias están aplicando lentes seis veces a este cuásar distante, y que la galaxia más distante también está aplicando lentes a la galaxia más cercana. «Normalmente, las lentes gravitacionales creadas por una sola galaxia forman dos o cuatro imágenes de la fuente de fondo, dependiendo de la alineación. En este caso, existe una alineación excepcional entre dos galaxias y un cuásar de fondo, formando una configuración poco común de seis imágenes». “La llamamos ”zigzag de Einstein’ porque la trayectoria óptica de dos de las múltiples imágenes pasa por la primera galaxia en un lado antes de ser desviada por la segunda galaxia en el otro lado. Esta trayectoria óptica crea un patrón en zigzag entre las dos galaxias».
J1721+8842 visto como parte del proyecto Pan-STARRS en 2017 que parece consistir en solo cuatro instancias de un cuásar con lente. (Crédito de la imagen: Pan-STARRS/ Lemon (2017))
El autor principal de la investigación y científico del Laboratorio de Astrofísica de la EPFL, Frédéric Dux, dijo a universeexpedition.com que esta es la primera vez que los científicos han encontrado una alineación tan perfecta entre tres cuerpos diferentes que crean una lente gravitacional. «Típicamente, una lente gravitacional involucraría solo dos objetos, digamos una galaxia que actúa como lente, y otra galaxia detrás, que actúa como fuente, cuya luz es doblada por la que está en primer plano», dijo Dux. «Por supuesto, hay muchos casos de lentes que se producen debido a múltiples galaxias a la vez, como en las lentes de los cúmulos de galaxias. En esos casos, los efectos de los distintos deflectores se combinan de forma débil. Una sola galaxia no actuaría por sí sola como una lente perfecta. La alineación simplemente no es lo suficientemente buena».
Sin embargo, no es el caso de J1721+8842.
La galaxia más cercana en esta lente está tan distante que su luz ha estado viajando hasta la Tierra durante 2.300 millones de años, mientras que la luz de la galaxia más distante ha estado viajando hasta nosotros durante 10.000 millones de años. Sin embargo, a pesar de la enorme distancia que separa a estas dos galaxias, según Dux, su alineación es tan buena que ambas detectan la luz procedente de una fuente cuásar situada a unos 11.000 millones de años luz, mientras que la galaxia en primer plano también actúa como lente de la luz procedente de la galaxia intermedia. «Esto es raro. Esperamos que uno de cada 50.000 cuásares con lente tenga esta configuración… y sólo conocemos unos 300 cuásares con lente en total, ¡así que hemos tenido mucha suerte de encontrar éste!». dijo Dux. «Puede que no encontremos otro en mucho tiempo, si es que alguna vez lo hacemos».
El zig-zag de Einstein podría hacer frente a una crisis cosmológica
Dux explicó que el equipo ya está trabajando en modelos actualizados de J1721+8842 para medir la constante de Hubble.
«La mayoría de los cuásares con lente pueden utilizarse para este fin, pero el hecho de que éste tenga dos lentes diferentes hace que el modelo de lente esté mucho mejor constreñido, y la incertidumbre en el valor de la constante de Hubble será menor», dijo Dux. «Esto es muy interesante en un momento en que la cosmología está en una crisis potencial debido a lo que llamamos la tensión de Hubble».
La tensión de Hubble surge del hecho de que medir la constante de Hubble en el universo muy primitivo y extrapolar la evolución de este valor hacia adelante a través de 13.800 millones de años de historia cósmica (utilizando el mejor modelo cosmológico) debería conducir al mismo valor que miden los astrónomos cuando observan el universo local y, por tanto, miden la constante de Hubble en su edad actual. Sin embargo, existe una gran disparidad entre ambos resultados.
«Podría haber errores de medición en cualquiera de los dos, así que antes de declarar una crisis definitiva, tenemos que seguir buscando posibles errores y afinando nuestras mediciones», afirma Dux.Al reducir las incertidumbres de estas mediciones, esta lente en zig-zag de Einstein podría acercar el valor al que se ha llegado y el valor observado de la constante de Hubble.
Una imagen de J1721+8842 con las seis apariciones del cuásar de fondo indicadas con las letras A a F. (Crédito de la imagen: Dux, et al, 2017)
«Además, esta lente también se puede utilizar simultáneamente para restringir la ecuación del estado de la energía oscura del universo», dijo Dux. «Esto es muy interesante, ya que esta cantidad, y la constante de Hubble, son típicamente degeneradas, lo que significa que podemos ‘mover ambas perillas’ en diferentes direcciones y aún ajustar bien los datos observacionales. Con este sistema, podríamos romper esta degeneración», lo que permitiría determinar ambos valores simultáneamente utilizando J1721+8842, algo que generalmente no es posible. El investigador añadió que esto es algo que está en marcha, pero que se necesita mucho trabajo teórico y desarrollo de infraestructura técnica antes de que el equipo pueda medir los dos valores que quieren examinar de forma «segura», evitando posibles sesgos y errores. «J1721+8842 tiene otras aplicaciones, como el estudio de la galaxia lente más distante», dijo Dux. «Dado que actúa a la vez como lente y como fuente de luz, apareciendo como un arco rojo distorsionado, podemos deducir su masa con precisión. También disponemos de un hermoso espectro procedente de la observación del JWST para estudiar la historia de la formación estelar de esta galaxia y la aglomeración de su materia. Esta es la primera oportunidad real de responder a estas preguntas para una galaxia tan lejana».
Aunque el JWST fue integral en el descubrimiento de la verdadera naturaleza de J1721+8842 como un zig-zag de Einstein, puede que no sea el mejor instrumento para la caza de más de estos esquivos arreglos.
«El JWST proporciona observaciones increíblemente profundas para pequeñas zonas del cielo. Para descubrir más zig-zags de Einstein, necesitamos estudiar todo el cielo», afirma Dux. Gaia y los sondeos del cielo, como Pan-STARRS, Euclid o el futuro Sondeo del Legado del Espacio y el Tiempo (LSST) del Observatorio Vera Rubin, son las herramientas adecuadas para esta búsqueda». »¡Seguiremos buscando cuásares con lentes! Esperamos encontrar muchos más con el LSST Vera Rubin y la misión Euclid. Que nos topemos con otro zigzag será cuestión de suerte». La investigación del equipo está disponible en pre-print en el repositorio de artículos arXiv.
