Supernova multiplicada por cuatro

• Título del artículo original: “iPTFgeu: A multiply imaged, gravitationally lensed type Ia supernova”
• Autores: A. Goobar, R. Amanullah, S. R. Kulkarni, et al. 
• Institución del primer autor: Oskar Klein Centre, Department of Physics, Stockholm University, Albanova University Center, SE 106 91 Stockholm, Suecia.
• Estado de la publicación: Publicado en AAAS Journals el 21 de abril de 2017. Versión en el arXiv del 31 de octubre de 2016.

Imagen destacada: Efecto de lente gravitacional sobre la supernova iPTF16geu. Crédito: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al., modificada por Joel Johansson.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la masa es capaz de curvar el tejido del espacio-tiempo. Los rayos de luz aparecerían también curvados cuando pasan cerca de un objeto masivo, pero solamente porque el espacio por el que se propagan está curvado. Este efecto, que se conoce como lente gravitacional, se comprobó por primera vez en 1919 y desde entonces se ha observado en muchos objetos en el universo. Los efectos de la lente gravitacional dependen de la masa del objeto que funciona como lente y de la alineación entre objeto, lente y observador. En ocasiones solamente se observa un cambio en la posición aparente del objeto, pero a veces se producen fuertes distorsiones como deformaciones en arcos, anillos o múltiples imágenes. Las lentes gravitacionales no sólo producen instantáneas de gran  belleza, sino que sirven para localizar agujeros negros, materia oscura o exoplanetas y aportan mucha información sobre la física que gobierna el universo. Vean aquí otros astrobitos relacionados con lentes gravitacionales.

La mayoría de objetos que se detectan fuertemente distorsionados por el efecto de lente gravitacional son galaxias lejanas y brillantes cuya luz pasa cerca de galaxias muy masivas o cúmulos de galaxias. Observar otros objetos, como explosiones de supernova, es particularmente difícil. Las supernovas son eventos astronómicos relacionados con el final de estrellas muy masivas, que son tan energéticos que aparentan producir nuevas estrellas en el universo. La clasificación de las supernovas responde más bien a criterios históricos, aunque hoy sabemos que existen diversos mecanismos para producirlas. De entre todas las supernovas, el tipo Ia (SNe Ia) es especialmente interesante, ya que se conoce muy bien la luminosidad absoluta de la explosión y como el brillo se desvanece con el tiempo. Como son muy luminosas, las SNe Ia se utilizan para medir grandes distancias en el universo y gracias a ellas se produjo el descubrimiento de la expansión acelerada del universo que valió el premio Nobel de Física en 2011. Observar SNe Ia distorsionadas por lentes gravitacionales permitiría medir la amplificación de la luz sin tener que asumir ninguna propiedad del objeto que está funcionando como lente, una de las más importantes limitaciones en el estudio de lentes gravitacionales, y estimar de esta manera parámetros cosmológicos como la constante de Hubble o la tasa de expansión del universo. Los autores del artículo que hoy analizamos presentan las primeras imágenes de alta resolución de una supernova tipo Ia fuertemente afectada por una lente gravitacional.

Figura 1 (Figura 4 del artículo original): Imágenes ópticas y en el infrarrojo cercano de la supernova iPTF16geu, obtenidas con el Telescopio Espacial Hubble (fila superior) y la tecnología de óptica adaptativa de los telescopios Keck (fila inferior). En las imágenes se aprecia cómo la imagen de la supernova se repite en cuatro puntos y cómo luz de la galaxia que la contiene se ha deformado en una estructura alargada con forma de anillo. La extinción de la luz debida al polvo interestelar hace que dos de las cuatro imágenes sean demasiado débiles para ser detectadas en la primera imagen.

Los amantes de las supernovas recordarán imágenes parecidas a las de la Figura 1 publicadas hace unos años. En 2013, Quimby et al. presentaron observaciones de la primera supernova Ia afectada por lente gravitacional. Sin embargo, que estuviera afectada por lente gravitacional no estaba del todo claro, se barajaron otras explicaciones y no se obtuvieron observaciones de alta resolución para su seguimiento. Kelly et al. encontraron múltiples imágenes de otra supernova con el Telescopio Espacial Hubble (HST) en 2015, pero no se trataba de una SN Ia de modo que no se podía medir la amplificación de manera independiente. En cualquier caso, los astrónomos aprendieron mucho de estos casos y se pudo comprobar las teorías del astrofísico noruego Sjur Refsdal sobre cómo usar las múltiples imágenes de una supernova para estimar la constante de Hubble. Vean estos astrobitos que se hicieron eco de tales descubrimientos: 1, 2.

Y es que encontrar y estudiar una supernova Ia supone un gran desafío y se requiere de muchos recursos. En el caso de iPTF16geu se han necesitado observaciones de los telescopios de Monte Palomar P48, P60 y P200, del Nordic Optical Telescope (NOT), del Very Large Telescope (VLT), de los telescopios Keck y del Telescopio Espacial Hubble (HST) para identificar y caracterizar esta supernova. La alta resolución de las observaciones de la Figura 1 permite distinguir las cuatro imágenes de la supernova, la galaxia en la que se encuentra deformada en un anillo, y la galaxia que está actuando como lente en el centro. Otras observaciones espectroscópicas con P200 y NOT han permitido localizar la supernova iPTF16geu a un redshift de 0.409 y la galaxia que actúa como lente a un redshift de 0.216.

Figura 2 (Figura 2 del artículo original): Observaciones fotómetricas de iPTF16geu, realizadas con los telescopios P48 y P60 del observatorio de Monte Palomar en distintos filtros fotométricos. Sobre los puntos observacionales se representan con líneas sólidas los modelos que mejor se ajustan a las curvas de luz. Las bandas de colores representan lo que se esperaría observar para una supernova a esa distancia sin el efecto de lente gravitacional. Comparando las observaciones con los modelos se estima que la amplificación de la supernova debido a la lente gravitacional es un factor 50 aproximadamente.

En la Figura 2 se tienen puntos observacionales del brillo de la supernova iPTF16geu en diferentes colores y bandas que corresponden a los modelos de cómo sería su luz si no hubiera lente gravitacional. Esta comparación entre observaciones y modelos permiten caracterizar cuánto afecta la lente gravitacional a la luz que nos llega. La luz de iPTF16geu aparece amplificada un factor 50 aproximadamente, aunque la extinción de la luz por el efecto del polvo interestelar puede ser importante a estas distancias. De hecho en el primer panel de la Figura 1 no se distinguen dos de las cuatro imágenes de la supernova y el polvo sería la explicación más plausible.

Con las múltiples posiciones de iPTF16geu en la Figura 1, se puede construir un modelo para la galaxia que actúa como lente. Los autores creen que se trata de una galaxia elíptica de una masa aproximada de unos 17 mil millones de masas solares y han hecho estimaciones de su tamaño y la velocidad promedio de las estrellas que la habitan. Todos estos parámetros concuerdan bien con lo que se puede extraer de las observaciones. Sin embargo, la diferencia de brillo entre las múltiples imágenes de la supernova que se predice con ese modelo está en desacuerdo con las observaciones. Los autores apuntan a irregularidades en la distribución de masa en la galaxia lente, que producirían cambios en la amplificación sin alterar la posición ni introducir más distorsión en la luz de iPTF16geu. Esto es importante porque la exploración de lentes gravitacionales en escalas más pequeñas que el tamaño de la galaxia a esas distancias no es posible para objetos diferentes de SN Ia. Y éste es todavía uno de los primeros estudios en este campo de estudio; nuevas y excitantes preguntas esperan ser contestadas gracias a otras SN Ia cuya luz nos llega amplificada por lentes gravitacionales.