Una doble galaxia despista a los astrónomos
Los astrónomos han visto algunas cosas bastante extrañas esparcidas por nuestro vasto universo, desde estrellas en explosión hasta galaxias en colisión. Entonces, pensarías que cuando vean un objeto celeste extraño, podrían identificarlo.
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| Esta instantánea del telescopio espacial Hubble muestra tres imágenes ampliadas de una galaxia distante incrustada en un cúmulo de galaxias. Estas imágenes son producidas por un truco de la naturaleza llamado lente gravitacional. La inmensa gravedad del cúmulo de galaxias magnifica y distorsiona la luz de la galaxia distante detrás de él, creando múltiples imágenes. El cúmulo de galaxias, catalogado como SDSS J223010.47-081017.8, está a 7 mil millones de años luz de la Tierra. Hubble ha observado muchas galaxias con lentes gravitacionales. Sin embargo, las imágenes que se ven en esta instantánea del Hubble son únicas. Dos de las imágenes ampliadas, que se muestran en el menú desplegable en la parte inferior derecha, son copias exactas una de la otra. Los dos óvalos brillantes son los núcleos de la galaxia. Este raro fenómeno ocurre porque la galaxia de fondo se extiende a ambos lados de una ondulación en la estructura del espacio. Esta "ondulación" es un área de mayor 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 especulares, junto con una tercera imagen que se puede ver de lado. Se muestra un primer plano de la tercera imagen en el menú desplegable de la parte superior derecha. Esta imagen se parece mucho a la galaxia remota, que se encuentra a más de 11 mil millones de años luz de distancia. Sobre la base de una reconstrucción de esta imagen, los investigadores determinaron que la galaxia distante parece una espiral barrada de borde con formación de estrellas grumosa en curso. Las imágenes de espejo se denominan "Objeto de Hamilton" por el astrónomo que las descubrió. Créditos: AUTOR PRINCIPAL: NASA, ESA, Richard E. Griffiths (UH Hilo); CO-AUTOR: Jenny Wagner (ZAH); PROCESAMIENTO DE IMÁGENES: Joseph DePasquale ( STScI) |
Pero el telescopio espacial Hubble de la NASA descubrió lo que parecen ser un par de objetos idénticos que parecen tan extraños que los astrónomos tardaron varios años en determinar cuáles son.
"Estábamos realmente perplejos", dijo el astrónomo Timothy Hamilton de la Universidad Estatal Shawnee en Portsmouth, Ohio.
Los objetos extraños consisten en un par de protuberancias de galaxias (el eje central lleno de estrellas de una galaxia) y al menos tres rayas divididas casi paralelas. Hamilton los vio por accidente mientras usaba el Hubble para inspeccionar una colección de cuásares, los núcleos en llamas de las galaxias activas.
Después de perseguir teorías sin salida, solicitar ayuda de colegas y rascarse mucho la cabeza, Hamilton y el creciente equipo, dirigido por Richard Griffiths de la Universidad de Hawái en Hilo, finalmente reunieron todas las pistas para resolver el misterio.
Los objetos lineales eran las imágenes estiradas de una galaxia distante con lentes gravitacionales, ubicada a más de 11 mil millones de años luz de distancia. Y parecían ser imágenes especulares el uno del otro.
El equipo descubrió que la inmensa gravedad de un cúmulo de galaxias en primer plano intermedio y no catalogado estaba deformando el espacio, magnificando, iluminando y estirando la imagen de una galaxia distante detrás de él, un fenómeno llamado lente gravitacional. Aunque los estudios del Hubble revelan muchas de estas distorsiones de espejos de casas de diversión causadas por lentes gravitacionales, este objeto fue 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 raro fenómeno ocurre porque la galaxia de fondo se extiende a ambos lados de una ondulación en la estructura del espacio. Esta "ondulación" es un área de mayor 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 especulares, junto con una tercera imagen que se puede ver de lado.
Griffiths compara este efecto con los patrones ondulados brillantes que se ven en el fondo de una piscina. "Piense en la superficie ondulada de una piscina en un día soleado, mostrando patrones de luz brillante en el fondo de la piscina", explicó. "Estos patrones brillantes en la parte inferior son causados por un tipo de efecto similar al de las lentes gravitacionales. Las ondas en la superficie actúan como lentes parciales y enfocan la luz solar en patrones ondulados brillantes en la parte inferior".
En la galaxia distante con lentes gravitacionales, la onda magnifica y distorsiona enormemente la luz de la galaxia de fondo que pasa a través del cúmulo. La ondulación actúa como un espejo curvo imperfecto que genera las copias duales.
Resolviendo el misterio
Pero este raro fenómeno no era muy conocido cuando Hamilton descubrió las extrañas características lineales en 2013.
Mientras miraba a través de las imágenes de cuásar, se destacó la instantánea de las imágenes reflejadas y las rayas paralelas. Hamilton nunca había visto algo así antes, y tampoco los otros miembros del equipo.
"Mi primer pensamiento fue que tal vez estaban interactuando galaxias con brazos extendidos por las mareas", dijo Hamilton. "Realmente no encajaba 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, más tarde apodado el Objeto de Hamilton por su descubridor. Mostraron la extraña imagen a sus colegas en conferencias de astronomía, que provocaron una variedad de respuestas, desde cuerdas cósmicas hasta nebulosas planetarias.
Pero luego 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. Era una imagen magnificada y distorsionada causada por un fenómeno de lente similar a los observados en Hubble. imágenes de otros cúmulos de galaxias masivas que amplifican imágenes de galaxias muy distantes. Griffiths confirmó esta idea cuando se enteró de un objeto lineal similar en uno de los estudios de cúmulos profundos del Hubble.
Los investigadores, sin embargo, todavía tenían un problema. No pudieron identificar el grupo de lentes. Normalmente, los astrónomos que estudian los cúmulos de galaxias primero ven el cúmulo en primer plano que está causando la formación de lentes y luego encuentran las imágenes ampliadas de galaxias distantes dentro del cúmulo. Una búsqueda de las imágenes de Sloan Digital Sky Survey reveló que un cúmulo de galaxias residía en la misma área que las imágenes ampliadas, pero no apareció en ninguna encuesta catalogada. Sin embargo, el hecho de que las imágenes extrañas estuvieran en el centro de un cúmulo le dejó en claro a Griffiths que el cúmulo estaba produciendo las imágenes con lentes.
El siguiente paso de los investigadores fue determinar si las tres imágenes con lente estaban a la misma distancia y, por lo tanto, eran todos los retratos distorsionados de la misma galaxia lejana. Las mediciones espectroscópicas con los observatorios Gemini y W. M. Keck en Hawai ayudaron a los investigadores a hacer esa confirmación, mostrando que las imágenes con lentes eran de una galaxia ubicada a más de 11 mil millones de años luz de distancia.
La galaxia remota, basada en una reconstrucción de la tercera imagen con lente, parece ser una espiral barrada de canto con formación de estrellas grumosa en curso.
Casi al mismo tiempo que las observaciones espectroscópicas de Griffiths y estudiantes universitarios en Hilo, un grupo separado de investigadores en Chicago identificó el cúmulo y midió su distancia utilizando datos de Sloan. El cúmulo reside a más de 7 mil millones de años luz de distancia.
Pero, con muy poca información sobre el cúmulo, el equipo de Griffiths todavía estaba luchando con cómo interpretar estas inusuales formas de lentes. "Esta lente gravitacional es muy diferente de la mayoría de las lentes que fueron estudiadas antes por Hubble, particularmente en el estudio de racimos de Hubble Frontier Fields", explicó Griffiths. "No tienes que mirar esos grupos por mucho tiempo para encontrar muchos lentes. En este objeto, este es el único lente que tenemos. Y ni siquiera sabíamos sobre el grupo al principio".
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| Imagen del cúmulo SDSS J223010.47 sin anotaciones. Créditos: AUTOR PRINCIPAL: NASA, ESA, Richard E. Griffiths (UH Hilo); CO-AUTOR: Jenny Wagner (ZAH); PROCESAMIENTO DE IMÁGENES: Joseph DePasquale ( STScI) |
Mapeando lo invisible
Fue entonces cuando Griffiths llamó a una experta en teoría de lentes gravitacionales, Jenny Wagner de la Universidad de Heidelberg en Alemania. Wagner había estudiado objetos similares y, con su colega Nicolas Tessore, ahora en la Universidad de Manchester en Inglaterra, desarrolló un software de computadora para interpretar lentes únicos como este. Su software ayudó al equipo a descubrir cómo se formaron las tres imágenes con lente. Llegaron a la conclusión de que la materia oscura alrededor de las imágenes estiradas tenía que distribuirse "suavemente" en el espacio a pequeñas escalas.
"Es genial que solo necesitemos dos imágenes de espejo para obtener la escala de cuán grumosa o no puede estar la materia oscura en estas posiciones", dijo Wagner. "Aquí, no usamos ningún modelo de lente. Solo tomamos los observables de las múltiples imágenes y el hecho de que se pueden transformar entre sí. Se pueden plegar entre sí mediante nuestro método. Esto ya nos da una idea de cuán suave 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 idea de cuál es la partícula constituyente. Por lo tanto, no sabemos cómo se comporta en absoluto. Solo sabemos que tiene masa y está sujeta a la gravedad. El significado de los límites del tamaño de la aglomeración o la suavidad es que nos da algunas pistas sobre lo que podría ser la partícula. Cuanto más pequeñas son las agrupaciones de materia oscura, más masivas deben ser las partículas ".
El artículo del equipo aparece en la edición de septiembre de The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.
Escritor: Donna Weaver
Contacto con los medios
Ray Villard
Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland
Contacto científico
Richard E. Griffiths
Universidad de Hawái – Hilo, Hilo, Hawái
Jenny Wagner
Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg, Heidelberg, Alemania
Enlaces y documentos relacionados
- Artículo científico: El artículo científico de R. Griffiths et al., PDF (8.01 MB)
- Portal del Hubble de la NASA
- Lanzamiento de la Universidad de Hawaii Hilo
• Publicado en NASA-Hubble el 7 de octubre del 2021, enlace publicación.
