El Gran Telescopio Canarias descubre una nueva Cruz de Einstein

Lente gravitacional.

La nueva Cruz de Einstein J2211-3050. Se trata de una galaxia eliptica (objeto amarillo), relativamente cercana, que actúa de lente. Los cuatros objetos azules (marcado ABCD) son las imágenes producida de una galaxias aproximadamente 3 veces más lejana. Con GTC fue posible aislar y dispersar la luz de los objeto ABC (las líneas marcan la zona estudiada espectroscópicamente), demostrando que pertenecen a la misma fuente de luz. Crédito: Telescopio Espacial Hubble.

El estudio, que ha combinado imágenes del Telescopio Espacial Hubble con observaciones espectroscópicas del GTC, ha confirmado la existencia de un nuevo ejemplo de lente gravitatoria, fenómeno predicho por la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. En este caso, el efecto observado se debe a la alteración provocada por una galaxia que actúa como una lupa amplificando y distorsionando, en forma de cuatro imágenes separadas en cruz, la luz de otra galaxia situada a 20.000 millones de años luz.

Una de las conclusiones más llamativas de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein es que la trayectoria de la luz se curva ante la presencia de materia. Este efecto se puede observar cuando la luz emitida desde una galaxia lejana pasa cerca de un objeto muy masivo, como otra galaxia, en su camino hacia el observador. El fenómeno se conoce como lente gravitacional, ya que es similar al efecto que producen las clásicas lentes de vidrio sobre los rayos de luz, y actúa como una lupa cambiando el tamaño, la forma y la intensidad de la imagen aparente del objeto lejano.

Parte del espectro obtenido con GTC, centrado en la region de Lyman alfa. Las tres
fuentes muestran exactamente la misma línea de emisión, demostrando que, en realidad,
la luz proviene desde el mismo objeto. Crédito: GTC.

Según el grado de alineación de las dos fuentes, se pueden observar imágenes múltiples de la fuente lejana como, por ejemplo, anillos, arcos o bien cuatro imágenes separadas en forma de cruz (de ahí su nombre de “cruz de Einstein”). En general, es extremadamente difícil detectar una lente gravitatoria, ya que la separación entre las imágenes producidas por la lente suele ser muy pequeña, lo que requiere imágenes de alta resolución para poder verlas. Fue precisamente al analizar imágenes de alta resolución del Telescopio Espacial Hubble, que se pudo localizar una agrupación de objetos que parecía una cruz de Einstein.

Para demostrar que las cuatro imágenes pertenecen al mismo objeto, un equipo de científicos, liderado por Daniela Bettoni, astrofísica del Observatorio de Padova, y Riccardo Scarpa, investigador del Gran Telescopio Canarias (GTC/IAC) en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), decidió obtener con el GTC observaciones espectroscopias que permiten dispersar la luz de cada fuente en sus longitudes de onda (colores) y analizar en detalle sus características.

Un hallazgo excepcional.

Según Scarpa, “el resultado no podía haber sido mejor. La atmósfera estaba muy transparente y con mínima turbulencia, lo cual nos permitió separar claramente la emisión de tres de las cuatro imágenes. El espectro nos dio inmediatamente la prueba que estábamos buscando; la misma línea de emisión, debida al hidrógeno, aparecía en los tres espectros exactamente a la misma longitud de onda. No había duda de que se trataba de la misma fuente de luz”.

El Gran Telescopio Canarias. Crédito: IAC.

Se había descubierto una nueva cruz de Einstein, bautizada como J2211-0305 por sus coordenadas en el cielo. Sin embargo, lo más excepcional del hallazgo es que el objeto que actúa de fuente es una galaxia muy joven. “Normalmente la fuente es un cuásar, es decir un núcleo activo de galaxia, por lo que fue una gran sorpresa descubrir que la fuente era otra galaxia con líneas de emisión muy intensas, lo cual indica que se trata de un objeto joven que está todavía formando grandes cantidades de estrellas”, explica Bettoni. La galaxia lente tiene forma elíptica y está localizada a una distancia de aproximadamente 7.000 millones de años luz (z=0.556), mientras que la fuente más lejana, reconvertida por la lente en una cruz, se encuentra a 20.000 millones de años luz (z=3.03). Es el segundo caso conocido con este tipo de fuente.

Nueva herramienta de estudio.

Gracias a estas nuevas observaciones, publicadas en la revista The Astrophysical Journal Letters, los astrónomos tienen una herramienta más para investigar y comprender el Universo. Por ejemplo, observando las diferencias en el espectro de las distintas imágenes, es posible determinar las propiedades del medio que se encuentra entre nosotros y la fuente. Además, en el caso de una fuente de luminosidad variable, se puede obtener información sobre la forma del Universo a través del desfase producido cuando una imagen se ilumina antes que las otras.

Con esta técnica, también se puede determinar con precisión la masa de la galaxia lente y, como ocurre con una lupa que concentra hacia nosotros la luz de la fuente aumentando su brillo, permite ver objetos que normalmente serían inalcanzables. En este caso, se calcula que la fuente es 5 veces más brillante de lo que sería sin la magnificación producida por la lente.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Insfraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.

Artículo: Daniela Bettoni, Renato Falomo, Riccardo Scarpa, Mattia Negrello, Alessando Omizzolo, Romano L. M. Corradi, Daniel Reverte y Benedetta Vulcani. “A New Einstein Cross Gravitational Lens of a Lyman-break Galaxy”, The Astrophysical Journal Letters, Volume 873, Number 2. DOI:10.3847/2041-8213/ab0aeb

Contacto GTC/IAC: Riccardo Scarpa (riccardo.scarpa@gtc.iac.es)

• Publicado en el IAC el 15 de marzo del 2.019, enlace publicación.