La explicación a una 'doble' galaxia que desconcertó a los astrónomos

EP | 08/10/2021

La gravedad deforma el tejido del espacio, creando ilusiones ópticas como las de esta imagen del Hubble - JOSEPH DEPASQUALE (STSCI)

Un equipo de astrónomos ha reunido todas las pistas para resolver el misterio de un par de objetos cósmicos idénticos descubiertos hace años con el telescopio espacial Hubble.

Estos 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. El astrónomo Timothy Hamilton de la Universidad Estatal Shawnee en Portsmouth, Ohio, 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 11.000 millones de años luz de distancia. 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 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 en un comunicado. "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.

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 11.000 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 7.000 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".

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.

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