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Un descubrimiento largamente esperado

Título: Multiple images of a highly magnified supernova formed by an early-type cluster galaxy lens
Autores: Patrick L. Kelly et. al
Institución del primer autor: Department of Astronomy, University of California, Berkeley
Astrobite original: A long-awaited discovery

De vez en cuando hacemos descubrimientos científicos que nos demuestran que la realidad parece más extraña que la ficción. La supernova “Refsdal”, descubierta el pasado noviembre por el programa Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS), es uno de ellos. Nombrada por el astrofísico noruego Sjur Refsdal, SN Refsdal es la primera supernova observada múltiples veces debido al fenómeno de lente gravitacional. Refsdal ya había remarcado en 1964 la utilidad de dicho fenómeno para determinar la constante de Hubble.

Imagen de HST WFC3-IR mostrando la apariencia de las cuatro fuentes puntuales (etiquetadas como S1, S2, S3 y S4) alrrededor de una galaxia elíptica másiva en el cúmulo MACS J1149.6+2223. Los paneles superiores son imágenes de archivo desde el 5 de diciembre de 2010 hasta el 10 de marzo de 2011. En los paneles intermedios estan las imágenes compuestas desde el 3-11 de noviembre de 2014 (izquierda), 20 de noviembre de 2014 (en medio) y 10-20 de noviembre 2014 (derecha) que muestra las fuentes que no se encontraban presentes en imágenes previas. En los paneles inferiores, los panels superiores fueron restados a los paneles medios, lo cual permite mostrar la diferencia entre las imágenes desde 2010 hasta 2014 cuando las fuentes fueron detectadas.

Figura 1: Imagen de HST WFC3-IR mostrando la apariencia de las cuatro fuentes puntuales (etiquetadas como S1, S2, S3 y S4) alrededor de una galaxia elíptica masiva en el cúmulo MACS J1149.6+2223. Los paneles superiores son imágenes de archivo desde el 5 de diciembre de 2010 hasta el 10 de marzo de 2011. En los paneles intermedios están las imágenes compuestas desde el 3-11 de noviembre de 2014 (izquierda), 20 de noviembre de 2014 (en medio) y 10-20 de noviembre 2014 (derecha) que muestran que las fuentes que no se encontraban presentes en imágenes previas. En los paneles inferiores, los paneles superiores fueron restados a los paneles medios, lo cual permite mostrar la diferencia entre las imágenes desde 2010 hasta 2014, cuando las fuentes fueron detectadas. Figura 1 de Kelly et al. 2015.

Precedentes

A primera vista la imagen de una lente gravitacional como en la Figura 1 puede no parecer particularmente interesante (o extraña). Después de todo, las lentes no son inesperadas, como por ejemplo si lo era en su momento la curva de rotación plana de las galaxias. Las supernovas con múltiples imágenes debido a lentes tampoco son algo exactamente nuevo (lentes gravitacionales han sido discutidas en previos astrobites en inglés). Y en realidad tampoco tiene el impacto cultural que tendría algo como Kepler-16b. Para ver cual es la relevancia de esta fuente necesitamos entender el contexto de su utilidad en una de las mediciones más importantes de la cosmología.

Aunque en la práctica es complicado, el método de Refsdal para determinar la constante de Hubble (que mide la tasa de expansión de nuestro Universo) es en teoría relativamente sencillo. Las lentes gravitacionales ocurren cuando una concentración de masa entre la fuente lejana y el observador desvía el camino de luz que llega de la fuente. En el caso de lentes fuertes (strong lensing en la literatura), la masa que causa la desviación de la luz es tan grande que vemos no una sino multiples imágenes del objeto fuente. Cuando la luz de un objeto, como una supernova, pasa a través de la lente fuerte, la luz puede seguir diferentes caminos antes de llegar al observador, por lo cual veríamos una imagen por cada camino diferente que siguió la luz. No obstante, la luz no solo sigue diferentes caminos, sino que puede sufrir retrasos de tiempo para llegar a la Tierra (si alguno de los caminos es más largo que otro, por ejemplo). Esos retrasos de tiempo, además de depender del potencial gravitatorio de la lente, son inversamente proporcionales a la constante de Hubble y débilmente dependientes de otros parámetros cosmológicos. Así que este método es atractivo porque nos permite medir la constante de Hubble sin tener que usar alguna escalera de distancias cósmicas.

Por su parte las supernovas son eventos transitorios, con una duración normalmente del orden de días, haciendo a los retrasos entre imágenes más fáciles de medir. Debido a que los lentes pueden producir retrasos temporales del orden de meses o incluso años, podemos “ver” realmente a la supernova aparecer y desaparecer en diferentes momentos en diferentes imágenes mientras la luz nos va alcanzando. En contraste, si encontramos multiples imágenes del objeto cuyo flujo no cambia con el tiempo, sería más difícil obtener el valor del retraso de tiempo entre imágenes.

Los astrónomos han intentado determinar anteriormente la constante de Hubble usando el método de Refsdal, en esas ocasiones con lentes de objetos quasi-estelares (cuásares), pero las curvas de luz obtenidas de estos objetos son muy complejas y requieren de un mayor monitoreo. Las supernovas por otro lado cambian rápidamente y tienen curvas de luz simples, haciéndolas ideales para este análisis. Mientras esto ayuda con la medición de los retrasos de tiempo, los modelos de lentes son la mayor fuente de incerteza. Diferentes modelos pueden producir la misma imagen, por lo que es difícil corroborar cuál es el correcto (o cuál usar). Sin embargo, es necesario un modelo del potencial gravitacional para entender los retrasos de tiempo, lo que implica que las incertidumbres de los modelos de lentes dominarán la incertidumbre en la medición de la constante de Hubble.

Figura 2: Una composición a color (óptico e infrarojo) de la imagen del cúmulo de galaxias MACS J1149.6+2223. Las líneas blancas son curvas críticas (líneas de magnificación infinita) para los objetos al redshift de la galaxia que hospeda a Refsdal (z=1.49). Hay tres imágenes de esta galaxia, marcadas como 1.1, 1.2 y 1.3. El grupo de modelos de lentes indican que Refsdal apareció en la imagen 1.3 en el pasado y aparecera en lai imagen 1.2 en el futuro. En la tercera imagen de la galaxia que hospeda a SN Refsdal, podemos ver a la supernova en cuatro imágenes y aparece como una cruz de Einstein alrrededor de una galaxia elíptica. Figura 2 de Kelly et al. 2015.

SN Refsdal

La fuente SN Refsdal fue encontrada en el campo de visión del cúmulo de galaxias MACS J1149.6+2223 el 11 de noviembre de 2014. Las cuatro imágenes descubiertas de la supernova están separadas por más de 2 segundos de arco, lo suficiente para que pueda ser claramente resuelta, y se encuentran en una formación clásica de cruz de Einstein alrededor de una galaxia elíptica másiva (que se encuentra en frente de la supernova). Se cree que tanto la galaxia (situada a un redshift de z=0.54) como el cúmulo de galaxias contribuyen significantemente al lente de Refsdal, lo que resulta en multiples imágenes de ambas: la supernova y la galaxia donde la supernova se encuentra, una galaxia espiral. Las cuatro fuentes puntuales en las que se separa la fuente original han sido identificadas como SN Refsdal S1, S2, S3 y S4, como se muestra en las Figuras 1 y 2. Los autores establecen que sus modelos de lentes están señalando que S1 probablemente sea la primera imagen, seguida de S2, S3 y S4 (debemos mencionar que este orden es tentativo, ya que diferentes modelos podrían estar en desacuerdo con esto). En la Figura 2, las cuatro fuentes puntuales se pueden ver etiquetadas en rojo en el panel inferior derecho, acompañadas de otra fuente que fue cuadriplicada y es mostrada encerrada en círculos azules en dicha figura. Quizás lo más interesante sea que los modelos predicen no solo el orden en el que las imágenes de la supernova aparecen, sino también que la supernova apareció en previas imágenes de la galaxia que la contiene (Figura 1 nuevamente) y que aparecerá en futuras imágenes que se tomen de ésta.

¿Cuándo aparecerán estas futuras imágenes de SN Refsdal? En algún momento entre 2015 y 2025. Con una ventana de diez años, existe claramente una gran incertidumbre en el modelado de este sistema, que podrá ser restringido con las siguientes imágenes. Como mencionamos al comienzo, los tiempos de retraso también dependen de tanto la constante de Hubble (y otros parámetros cosmológicos) como los modelos de lentes gravitacionales usados. Estas degeneraciones hacen que una medición precisa sea todavía difícil usando el método de Refsdal, pero mientras tanto, también queda demostrado el potencial que acarrea el experimento que sugirió Sjur Refsdal 50 años antes de su descubrimiento.

Comentarios

4 comentarios en “Un descubrimiento largamente esperado

  1. Que emocionante!, sigan con su trabajo porfavor 🙂

    Publicado por Alejandro Rodríguez | 27/06/2015, 23:24

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