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Mirando al joven universo: descubrimiento de 9 lentes gravitacionales nuevas

  • Título del artículo original: Observation and Confirmation of Nine Strong Lensing Systems in Dark Energy Survey Year 1 Data
  • Autores: B. Nord, E. Buckley-Geer, H. Lin, et al.
  • Institución del primer autor: Fermi National Accelerator Laboratory
  • Estado de la publicación: publicado en XX MNRAS, acceso abierto en arXiv

Lentes gravitacionales. Este fenómeno tan útil y peculiar es una de las consecuencias directas de la Teoría de la Relatividad de Einstein y la famosa curvatura del espacio. Como consecuencia la masa curva el espacio y cuando existen objetos muy masivos, su gravedad es capaz de desviar los rayos de luz de su trayectoria como se muestra en la Figura 1. Esta fue una de las primeras pruebas de la teoría de la relatividad. Durante un eclipse total de Sol en 1919 varios astrónomos midieron la posición algunas estrellas y las compararon con las medidas tomadas por la noche, cuando no está el Sol, para confirmar que la gravedad podía curvar la luz. Y si una estrella es capaz de variar la trayectoria de los fotones, ¿que no podría hacer toda una galaxia, un quasar o de un grupo de galaxias? Pasaron 60 años hasta que se descubrió la primera lente gravitacional, cuando se observaron dos quasar muy similares entre sí. En realidad eran el mismo objeto, pero una galaxia entre la Tierra y el quasar había dividido la luz crean dos imágenes como si fuera un espejismo. Este fenómeno nos permite observar objetos más lejanos de lo que podríamos solo con telescopios, creando así un efecto de lente. En las últimas décadas ha sido muy frecuente el descubrimiento de lentes gravitacionales, hasta el punto de que han sido objetivos de estudios como de energía oscura DES (Dark Energy Survey).

Figura 1: Podemos ver como la luz emitida por una galaxia es desviada, al pasar por un cúmulo de galaxias, recorriendo caminos diferentes hasta que llega a la Tierra. Fuente: Space Telescope

El descubrimiento y la confirmación. En el artículo se estudian los datos del primer año de DES. Para encontrar lentes gravitacionales usan un algoritmo que busca galaxias que estén cerca de otras galaxias o cúmulos. Las imágenes son inspeccionadas visualmente por expertos, quienes observan la morfología, color y brillo de los objetos. Este punto redujo la lista a 112 posibles candidatos, de donde los autores seleccionaron 46 según el potencial científico que podrían tener y según si estaban siendo o iban a ser observados por otros estudios. Finalmente se volvió a reducir hasta 21, usando como filtro el brillo de las galaxias y cuales ofrecían una mejor oportunidad de observación. Una vez obtenidos los espectros de los 21 finalistas, el primer paso es obtener el redshift del objeto que actúa como lente y el del objeto lensado cuya luz está siendo desviada. Recordemos que el redshift, o desplazamiento al rojo, es la variación que hay entre la longitud de onda de una línea espectral emitida por un objeto lejano, y la que observaríamos en el laboratorio, es decir, cuanto más lejos esté un objeto mayor será su redshift. Con esto hay que comparar y comprobar que efectivamente la lente está más cerca que el objeto lensado. En esta última criba los resultados de 10 objetos no fueron concluyentes, 2 fueron rechazados y otros 9 fueron confirmados como lentes gravitacionales. Estos últimos se muestran en la Figura 2, donde se ven las 9 lentes y están señaladas las diferentes imágenes formadas del objeto lensado. En el artículo se pueden consultar las magnitudes aparentes, coordenadas y redshifts de las 9 lentes.

Figura 2: Vemos las 9 lentes gravitacionales que han sido confirmadas en el artículo. Cada imagen tiene señalado el nombre de la lente gravitacional y las imágenes del objeto lensado. Fuente: Figura 1 del artículo.

Finalmente hay que comprobar que los diferentes objetos que aparecen lensados son el mismo, para hay que obtener y comparar sus espectros. Estos deberían tener las mismas líneas de emisión. Por ejemplo la Figura 3 muestra como el objeto original tiene una potente emisión de hidrógeno, concretamente la línea de Lyman-alfa, Lyα. Esta línea se detecta en los diferentes espectros, confirmando así que las imágenes son en realidad el mismo objeto cuya luz ha recorrido caminos diferentes al pasar alrededor de la lente gravitacional.

Figura 3: A la izquierda observamos los espectros obtenidos de tres objetos diferentes. Cada uno corresponde a los objetos que se muestran en la imagen de la derecha denotados por A1, A2, y A3. Esta es la imagen de la lente gravitacional DES J0041-4155. En los espectros se marca la línea Lyα, de la cual se derivan 3 valores casi idénticos del redshift, confirmando así que los 3 objetos son en realidad el mismo. Fuente: Figura 2 del artículo.

¿Por qué nos importan estas lentes? A parte de unas imágenes muy bonitas, las lentes gravitacionales también nos ayudan a comprender los oscuros misterios del universo: la materia y energía oscura. Por ejemplo dan idea de cómo se ha curvado el espacio, lo que a su vez da pistas de la cantidad de materia (oscura o no) que puede haber. Así, con lentes gravitacionales situadas en distintos puntos del universo podemos estudiar la distribución de materia del universo. Al principio, cuando el universo estaba todavía dando sus primeros pasos, la gravedad era tan fuerte que las galaxias se unían formando cúmulos, pero a medida que el universo se ha expandido la gravedad ha perdido fuerza ya que la densidad de materia ha disminuido. Según los modelos actuales la expansión está controlada por la energía oscura, y diferentes modelos de energía oscura pueden dar lugar a distintos tipos de expansión, de forma que el historial de expansión del universo nos ayuda a obtener y entender el modelo correcto. En este estudio las lentes gravitacionales son grandes aliadas para averiguar en qué momento la energía oscura comenzó a ganarle la partida a la gravedad, y el universo comenzó la expansión acelerada que hoy en día conocemos.

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