NeoFronteras

Cruz de Einstein y lentes gravitacionales

Área: Espacio — domingo, 8 de marzo de 2015

Encuentran una cruz de Einstein formada por cuatro imágenes de una misma supernova de tipo Ia.

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Una imagen puede decir poca cosa o mucho si se sabe mirar, si se sabe lo que hay detrás. Una foto del cielo profundo en el que aparecen unas galaxias quizás le digan poco al lego en Astrofísica o mucho a otra persona.
Algunas de esas fotos revelan lo que se llama lentes gravitacionales, que son la viva manifestación de la Relatividad General.
Según esta teoría, una concentración de masa-energía es capaz de curvar el espacio que hay a su alrededor. La luz tiene que seguir ese espacio curvado, por lo que se puede medir el efecto. Esto se puede apreciar en cómo cambian las posiciones de las estrellas durante un eclipse de Sol, tal como en su día mostró Arthur Eddington.
El caso extremo de curvatura del espacio-tiempo se da alrededor de un agujero negro. Pero son tan relativamente pequeños y están tan lejos que no nos es posible ver el efecto que causan sobre la luz que les circunda, salvo quizás en los quasares. En películas como en “Interestelar” hay buenas animaciones sobre cómo es el efecto, tanto en agujeros negros como en agujeros de gusanos. En esta película hay una gran labor de asesoramiento científico y todo lo que aparece tiene su justificación teórica según la Física conocida, con mayor o menores dosis de especulación según el caso.

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Pero si no queremos recurrir al cine podemos conformarnos con lo que nos ofrece el telescopio espacial Hubble. Desde que se puso en órbita ha descubierto muchas lentes gravitacionales.
¿Qué es una lenta gravitacional? No es más que una alineación entre nosotros como observadores (en realidad el Hubble), una gran masa galáctica (un masivo cúmulo de galaxias) y una fuente de luz lejana detrás de todo ello (generalmente una galaxia).

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La luz de la galaxia lejana pasa cerca del cúmulo y es desviada por el espacio curvado que hay alrededor el cúmulo. Dependiendo de cómo de buena sea la alineación, la galaxia lejana se ve deformada de una u otra manera, generalmente con forma de arco. Si el cúmulo fuera una esfera perfecta y la imagen de la galaxia lejana un círculo entonces veríamos esa galaxia lejana como una circunferencia alrededor del cúmulo.

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A veces la galaxia lejana forma más de una imagen al pasar por la lente gravitatoria. Incluso puede formar cuatro imágenes en lo que se conoce como cruz de Einstein. El nombre procede de la típica formación de este tipo que se observó por primera vez en los quasares en 1979.
Sabemos que esas imágenes distorsionadas de alrededor de una lente gravitacional proceden de la misma galaxia lejana porque sus espectros son idénticos.
Pero una lente es una lente y puede amplificar una luz que sea muy débil. Estas lentes gravitatorias nos permiten echar un vistazo al borde del Universo y saber cómo eran las primeras galaxias que se formaron y que ya tienen una velocidad de recesión gigantesca debido a la expansión del Universo.
Una lente gravitatoria funciona como el mayor telescopio que podamos usar jamás, un telescopio de tamaño galáctico.
Quizás lo más fascinante es que este fenómeno nos permite medir la masa del cúmulo, una masa que se corresponderá tanto a la materia ordinaria que se ve, como a la materia oscura, esa misteriosa sustancia tan abundante en el Universo y de cuya naturaleza parece que cada vez sabemos menos.
La precisión en esta medida depende de lo bien que conozcamos la fuente de luz que hay detrás del cúmulo y de lo definida que sea su forma.
Imaginemos ahora que la fuente de luz lejana no es una galaxia, sino una supernova, que es un objeto puntual. Entonces el análisis de la lente gravitacional permitiría saber la cantidad y distribución de materia, incluyendo la materia oscura, que es la mayoría.
Esto es precisamente lo que se ha estado buscando durante años por la colaboración Grism Lens Amplified Survey from Space (GLASS) hasta que, por fin se ha encontrado, se trata del cúmulo MACS J1149.6+2223 (descubierto hace 10 años), situado a unos 5000 millones de años luz de distancia a nosotros y de una supernova de tipo Ia situada a 9300 millones de años luz. La supernova aparece 20 veces más brillante que si no hubiera fenómeno de lente gravitacional.

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Según Patrick Kelly (University of California, Berkeley) fue toda una sorpresa encontrarlo.
La supernova posiblemente se podría haber visto hace 20 años como un simple punto en el campo del cúmulo y volverá a verse así antes de cinco años. Cada imagen de la supernova recorre un camino diferente que tiene una longitud distinta, así que cada una de las imágenes tiene una aparición y desaparición en momentos distintos según nuestro punto de vista, que puede ser de días o semanas. Como ya sabemos todos, los fenómenos como las supernovas tienen una duración muy limitada en el tiempo por sí mismos. Han calculado que una quinta imagen aparecerá en la próxima década.
Es precisamente esta desaparición no sincronizada de estas imágenes de la misma supernova la que permitirá saber mucho más de la distribución de materia del cúmulo. Así que los científicos involucrados en este proyecto van a estar vigilando el fenómeno para cuando esto ocurra. Si lo consiguen podrán saber la distribución de materia oscura con una precisión sin precedentes.
Además, estas medidas pueden ayudar a saber mejor la expansión y geometría del Universo. Será de gran ayuda el saber que se trata de una supernova de tipo Ia, cuyo perfil de brillo es bien conocido.
Han apodado Refsdal a la supernova en honor al astrónomo noruego Sjur Refsdal, quien en 1964 propuso por primera vez el retraso en las imágenes de supernovas bajo lente gravitatoria como sistema para estudiar la expansión del Universo. Ha pasado medio siglo hasta que por fin se ha encontrado el fenómeno.

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Fuentes y referencias:
Artículo original

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14 Comentarios

  1. Gerardo:

    La 3ra imagen corresponde a la galaxia carita feliz?

  2. NeoFronteras:

    También se le encuentra parecido con una calabaza de Halloween.

  3. tomás:

    Estimado Neo:
    No caigo en cómo, el análisis de la lente gravitacional, permitiría saber relación entre materia ordinaria y oscura.
    Gracias anticipadas, te sea o no posible.

  4. tomás:

    He releído el artículo y exprimido la sesera. De ello he sacado que por las distancias de las imágenes del cuerpo lejano a la lente podremos deducir la curvatura del espacio, y de esta, las masas totales (ordinaria más oscura). Por otra parte, si el fenómeno presenta distintos aspectos, como es natural al depender de la rápida modificación de una supernova, pueden confirmarse esos datos obtenidos. ¿Quizá cuando no actúe la supernova como lente, podemos deducir la masa de la materia ordinaria?

  5. tomás:

    Y restando, conocer la masa de la materia oscura.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La supernova no actúa de lente, actúas la galaxia/cúmulo por la que pasa la luz emitida por la supernova.
    Midiendo con cuidado este efecto se puede obtener la masa total de la galaxia/cúmulo. La materia ordinaria de la galaxia/cúmulo se ve, así se se puede cuantificar. Sólo hay que restar para saber cuánta materia oscura hay en la galaxia/cúmulo.

  7. NeoFronteras:

    Por cierto, este 2015 se cumplen cien años de Relatividad General y, respetando las distancias, diez de NeoFronteras.

  8. Pocosé:

    ¡¡Feliz decenario Noefronteras!!
    Y muchísimas gracias por lo mucho aprendido y disfrutado.

  9. tomás:

    Muchas gracias, amable Neo. En efecto, la lente es la galaxia y la imagen, la supernova. Así se entiende en el resumen del principio cuando dice “… cuatro imágenes de una misma supernova…”; también más tarde, a partir de “Imaginemos… cuando se sustituyen galaxia por supernova y cúmulo por galaxia, respectivamente. En mi caso se ha tratado de un error de escritura pues, como decía, había releído el artículo.
    Sin embargo, sigo entendiendo que, como dice el artículo, la variación de la supernova y, en consecuencia, de sus imágenes, aportarán muchísima información. Y me felicito por haber acertado en esa resta. No es que la cosa sea brillante, pero me satisface siendo tan lego en astronomía.
    Mil gracias.

  10. tomás:

    Si mis notas son ciertas, el décimo aniversario se cumple el jueves, 23-6-2005, cuando se publicó el artículo “Explican la técnica de vuelo del colibrí”; al menos para los lectores. La organización, necesariamente, hubo de ser anterior.
    Pues eso: enhorabuena por el éxito. Deberíais estar muy satisfechos de vuestra labor divulgadora.
    Mi más encarecido agradecimiento por vuestro esfuerzo y constancia.

  11. Miguel Ángel:

    El vuelo de un colibrí que ya anticipaba el talante de este magnífico blog: ensalzar la belleza de la Ciencia unido a ese enfoque que tanto demandaba Carl Sagan, usar el conocimiento para construir una sociedad y un mundo mejor.
    Mi más sincera felicitación y agradecimiento…y un abrazo sideral.

  12. David:

    Sobre el tema este de lentes gravitatorias, y difracción de la luz. He leído una noticia curiosa, que dice que este año 2015, en concreto el próximo 24 de Agosto por la tarde, la Tierra va a pasar por una zona oscura de la galaxia, que apantallada los fotones que emite el Sol, durante tres días, que hará que durante este tiempo, nopodamos ver luz solar que nos llega de la estrella, pero que si sentiremos el calor, los rayos infrarrojos. Que la Agencia NASA, debe de informar bien de este fenómeno, para que no aflore entre la gente, miedos irracionales propios de la superstición y la santería. El fenómeno este, ocurre cada muchos años, y es poco frecuente. De ser cierto, vamos a tener un año interesante, pues este Marzo, a finales parece, vamos a tener un eclipse total.

    ?Es cierto todo esto.? ?Habéis leído algo sobre el tema.?

  13. RicardM:

    Amigo David,

    Los “tres dias de oscuridad” son una majaderia que aparece intermitentemente en las redes, con no sé que objeto. Si examinas la noticia con un poco de criterio veras la cantidad de memeces que contiene. Si no, fíjate sólo en un detalle: ¿Donde está el enlace a la NASA sobre el tema?.

    Los artículos de NeoFronteras expresan la opinión del que cariñosamente apodamos “Neo”, pero siempre a pié de artículo hay enlaces a las fuentes. Acudiendo a las fuentes incluso podemos disentir de la opinión de Neo (cosa que a veces se da…).

    Sin fuentes no se puede verificar la información, y una información no verificable no es informació real, es otra cosa.

    Saludos.

  14. RicardM:

    Por cierto, si NeoFronteras cumple 10 años (felicidades) es porque hay gente que no sólo lee los artículos sino que, además, los discute. Como dijo alguien “Donde todos piensan igual, nadie piensa mucho”.

    Saludos.

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