La lente carrusel de galaxias con lente gravitacional vista por el telescopio espacial Hubble.(Crédito de la imagen: William Sheu/UCLA)
Los astrónomos han descubierto siete galaxias distantes alineadas con un cúmulo de galaxias; juntas, forman una de las configuraciones de galaxias más singulares jamás vistas.
Esta disposición de galaxias deformadas y estiradas contiene la mayor «cruz de Einstein», en referencia a las vistas repetidas de la misma galaxia en la misma imagen debido a las consecuencias de la relatividad general, es decir, las lentes gravitacionales. Las galaxias recién descubiertas, fuertemente lente, se denominan colectivamente «Lente Carrusel». Las galaxias aparecen estiradas y arremolinadas en el Lente Carrusel debido a la influencia del llamado «cúmulo de galaxias lente», situado más cerca de la Tierra, a 5.000 millones de años luz.
En última instancia, este descubrimiento podría ayudar a resolver algunos de los misterios más acuciantes de la cosmología. El principal de ellos es la naturaleza de la energía oscura, la fuerza invisible que acelera la expansión del universo, y de la materia oscura, el material invisible que constituye el 80% de la materia del cosmos.
Las siete galaxias únicas se encuentran a distancias comprendidas entre 7.600 y 12.000 millones de años luz de la Tierra. Esto se aproxima al límite de observación del cosmos de 13.800 millones de años, lo que significa que no podríamos ver más allá de esta zona ni siquiera con los telescopios más avanzados. Esto se debe a que esta región del espacio se aleja de nosotros con demasiada rapidez.
En la Lente Carrusel, varias galaxias también aparecen en más de una ubicación. De particular interés para los astrónomos, en la Lente Carrusel habita una Cruz de Einstein creada a partir de cuatro apariciones repetidas de la galaxia número 4 (4a, 4b, 4c y 4d en la imagen inferior.
«Se trata de una “alineación galáctica” asombrosamente afortunada, una alineación fortuita de múltiples galaxias a través de una línea de visión que abarca la mayor parte del universo observable», afirmó en un comunicado David Schlegel, miembro del equipo y científico sénior de la División de Física del Laboratorio de Berkeley. «Encontrar una de estas alineaciones es como encontrar una aguja en un pajar. Encontrarlas todas es como ocho agujas alineadas con precisión dentro de ese pajar».
Imagen de Hubble de la lente carrusel con el cúmulo lente en el centro marcado con Ls y las galaxias lente marcadas del 1 al 7. Las letras representan el número de veces que aparece la misma galaxia gracias al fenómeno de lente gravitacional. (Crédito de la imagen: William Sheu (UCLA) utilizando datos del telescopio espacial Hubble).
Estos aspectos de esta disposición galáctica muestran los entresijos de un alucinante fenómeno físico llamado lente gravitatoria, sugerido por primera vez por Albert Einstein en 1915.
La física deformada de las lentes gravitacionales
Las lentes gravitacionales son un concepto surgido de la teoría más revolucionaria de Einstein, la relatividad general. También conocida como «teoría geométrica de la gravedad», la relatividad general sustituyó a la teoría de la gravedad de Isaac Newton. Sugiere que la presencia de masa en el tejido del espacio y el tiempo, unidos como una entidad de 4 dimensiones llamada «espaciotiempo», provoca que ese tejido se «deforme».
Una analogía comúnmente utilizada para esto es la colocación de pelotas de masa creciente sobre una lámina de goma estirada. En esta analogía 2D, una pelota de golf provoca más curvatura que una de ping-pong, una de bolos crea más curvatura que una de golf y una de cañón crea una curvatura bastante extrema.
En el espaciotiempo, la gravedad surge de esta curvatura, por lo que cuanto mayor sea la «curvatura» de un objeto, mayor será su influencia gravitatoria. Así, los planetas tienen una gravedad más fuerte que las lunas, las estrellas tienen una gravedad más fuerte que los planetas y los agujeros negros tienen una gravedad más fuerte que los tres.
Esto no sólo explica las órbitas de los cuerpos alrededor de otros con masas mayores, sino que también nos dice algo realmente interesante sobre cómo la luz se ve afectada por una deformación del espaciotiempo.
Ilustración 3D de la Tierra y el Sol en un espaciotiempo distorsionado. Muestra el concepto de gravedad y teoría general de la relatividad. (Crédito de la imagen: vchal via Shutterstock)
Aunque la luz suele viajar en línea recta, la curvatura del propio tejido del espaciotiempo cambia la definición de lo que es realmente una línea recta. Para imaginarlo, basta con dibujar una línea recta en una hoja de papel y, a continuación, coger ese papel y enrollarlo en diferentes orientaciones.
Todo esto significa que cuando un objeto de gran masa, como un cúmulo de galaxias, se sitúa entre la Tierra y una fuente de luz de fondo, actúa como una lente gravitatoria, desplazando la posición aparente del objeto de fondo en el cielo. Sin embargo, la luz de un mismo objeto puede tomar diferentes trayectorias alrededor del cuerpo que ejerce de lente. Cuanto más cerca esté de la concentración de masa, más se desviará la luz.
Eso significa que la luz de un mismo objeto puede llegar a la Tierra y a nuestros telescopios en momentos diferentes, amplificando la aparición de manchas, por ejemplo. El mismo objeto puede incluso aparecer en varios lugares de la misma imagen, con estas representaciones de imágenes que aparecen en arreglos circulares llamados Anillos de Einstein. Y un Anillo de Einstein puede clasificarse más específicamente como una Cruz de Einstein si cumple ciertos criterios, como vemos en el caso de la Lente Carrusel.
Una imagen de la Lente Carrusel y la región que la rodea vista por el sondeo DESI. (Crédito de la imagen: DESI Collaboration/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Proctor)
En raras ocasiones, una configuración casi perfecta de objetos provoca una fuerte lente gravitacional, y eso es lo que los datos de los sondeos DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) Legacy Imaging Surveys y las recientes observaciones del telescopio espacial Hubble de la NASA han revelado en forma de Lente Carrusel.
«Nuestro equipo ha estado buscando lentes fuertes y modelando los sistemas más valiosos», dijo en el comunicado Xiaosheng Huang, miembro del equipo e investigador del Proyecto de Cosmología de Supernovas del Berkeley Lab. «La Lente Carrusel es una increíble alineación de siete galaxias en cinco agrupaciones que se alinean casi perfectamente detrás de la lente del cúmulo en primer plano. Al aparecer a través de la lente, las múltiples imágenes de cada una de las galaxias del fondo forman patrones circulares aproximadamente concéntricos alrededor de la lente del primer plano, como en un carrusel.
«Es un descubrimiento sin precedentes, y el modelo computacional generado muestra una perspectiva muy prometedora para medir las propiedades del cosmos, incluidas las de la materia y la energía oscuras.»
La fuerza de la Lente Carrusel y el modelo creado utilizando el superordenador Perlmutter del Centro Nacional de Computación Científica para la Investigación Energética (NERSC) podrían ayudar a investigar la energía oscura y la materia oscura, a veces denominadas colectivamente «universo oscuro»«Se trata de una alineación extremadamente inusual, que por sí misma proporcionará un banco de pruebas para estudios cosmológicos», declaró en el comunicado Nathalie Palanque-Delabrouille, directora de la División de Física del Berkeley Lab. «También muestra cómo las imágenes realizadas para DESI pueden aprovecharse para otras aplicaciones científicas, como la investigación de los misterios de la materia oscura y la expansión acelerada del universo, impulsada por la energía oscura.»
La investigación del equipo se publica en The Astrophysical Journal.
