Déjà vu: Una predicción astronómica confirmada

• Título: Deja Vu All Over Again: The Reappearance of Supernova Refsdal
• Autores: P. L. Kelly, S. A. Rodney, T. Treu, et al.
• Institución del primer autor: Department of Astronomy, University of California, Berkeley, CA, USA.
• Estado del trabajo: Enviado a ApJL.

Recordando a SN Refsdal

En un artículo anterior, aprendimos sobre la supernova Refsdal (SN Refsdal), que podemos ver en la Figura 1. Este objeto corresponde a la primera supernova con múltiples imágenes producidas por el efecto de lentes gravitacionales fuertes jamás observada. Esta desviación de su luz es producida por un cúmulo de galaxias masivo, MACS J1149.5+2223

Figura 1: Observación de las cuatro imágenes de SN Refsdal. Como se puede apreciar, los puntos amarillos corresponden a la supernova, cuya luz ha sido magnificada y separada de manera tal, que se pueden observar múltiples imágenes del mismo objeto. Crédito: : NASA / ESA / S. Rodney, JHU / FrontierSN team / T. Treu, UCLA / P. Kelly, UC Berkeley / GLASS team / J. Lotz, STScI / Frontier Fields team / M. Postman, STScI / CLASH team / Z. Levay, STScI.

Una supernova es la explosión de una estrella que, por el agotamiento de su combustible, no es capaz de realizar más reacciones termonucleares. En este punto, la estrella colapsa y libera una enorme cantidad de energía, produciendo destellos de luz muy intensos, los que pueden ser observados por tiempos relativamente cortos (semanas, meses).

Este hallazgo, ocurrido en Noviembre de 2014, es de gran importancia, debido a que no sólo es la primera vez que se observa este fenómeno, sino que una de sus observaciones pudo ser predicha, de lo que habla este artículo.

La predicción

Recordemos que las imágenes múltiples producidas por lentes gravitacionales tienen la particularidad de viajar en distintos tiempos: debido a los diferentes recorridos que toma la luz para cada imagen, cada una llega a un tiempo diferente para el observador. Sjur Refsdal, astrofísico noruego, sugirió que estas diferencias de tiempo son útiles de medir, ya que dependen de la tasa de expansión cósmica y el potencial gravitacional del lente. Estas diferencias de tiempo han sido medidas en otros objetos cuya luz ha sido desviada por lentes gravitacionales, pero nunca había sucedido para una supernova. La ventaja de éstas sobre objetos como los cuásares, es que la curva de luz de una supernova es más simple, y, para algunas de ellas, el peak de luminosidad puede ser calibrado de manera absoluta, dando una medición de la magnificación de la fuente del lente.

Los modelos de lentes gravitacionales que los astrónomos desarrollaron después de la observación de SN Refsdal, predecían la aparición de una imagen lenseada de la supernova en la galaxia que la alberga a 8 segundos de arco de las imágenes S1-S4, como se puede observar en la Figura 2.

Figura 2: Imagen tomadas con el telescopio espacial Hubble del campo donde se encuentra SN Refsdal. Estas observaciones fueron hechas en los filtros F125W y F160W, y corresponden a tres fechas distintas. La de más abajo es antes de que la supernova fuera observada. La del medio, es la primera observación de SN Refsdal con sus múltiples imágenes, y la de arriba muestra una imagen más de la supernova predicha. S1, S2, S3 y S4 representan la ubicación de las múltiples imágenes observadas la primera vez, y SX es la posición de la nueva imagen predicha y observada por los astrónomos.

Como mencionamos anteriormente, los parámetros cosmológicos y el potencial del cúmulo determinan cómo será la configuración de este fenómeno. Es decir, en qué lugar observaremos las imágenes, y con qué diferencia de tiempo. Dada la complejidad de los parámetros involucrados en este proceso, es improbable que estas mediciones de diferencias de tiempo puedan ser usadas para medir la cosmología de forma muy precisa, como sugirió Refsdal. Sin embargo, si se adopta un conjunto fijo de parámetros cosmológicos, las diferencias de tiempo y razón de magnificación se pueden usar para medir las diferencias en el potencial y sus derivadas entre las posiciones de las múltiples imágenes, lo que provee una poderosa prueba para modelos de lentes. Diversos grupos comenzaron a estudiar esto y producir predicciones de dónde y cuándo sería observada la quinta imagen.

Los modelos, en general, se inclinaban por una diferencia de tiempo menos a un año. También se sugería que sería una imagen más débil, de un factor de 3 ó 4 órdenes de magnitud menor a S1-S3. El campo se empezó a observar a partir del 30 de Octubre 2015, ya que desde Julio a Octubre estaba muy cercano al Sol para ser observado. Cabe destacar que todas estas predicciones fueron hechas antes de la primera observación, lo que las hace completamente “predicciones a ciegas”.

La aparición de la quinta imagen

El panel superior de la Figura 2 es del 11 de Diciembre de 2014, y muestra la nueva imagen de SN Refsdal en la galaxia que la alberga.

Figura 3: Comparación entre la posición de la imagen SX y las predicciones publicadas. Las predicciones de Jauzac y Grillo son las más cercanas considerando los márgenes de error. Crédito: Figura 3 del artículo.

Esto ubica a SX (la nueva imagen) a 6,2 y 3,9 segundos de arco al Norte y este de S1, respectivamente. En la Figura 3, se observan las posiciones de la predicción hecha por los modelos. y la observación real de SX. Es destacable lo precisos que son, considerando que los modelos de lente de cada grupo no eran los mismos.

Con este interesante descubrimiento, podemos probar los distintos modelos de lentes gravitacionales. La mayoría de los estudiados para esta observación son bastante acertados, aunque la mayoría predice una magnificación mayor que la observada, o diferencias de tiempo más cortas. Un estudia más detallado de este objeto, y la observación de otros a futuro, podrá ayudarnos a entender el fenómeno de manearás profunda y ser capaces de medir parámetros cosmológicos relevantes para el estudio del Universo.