La galaxia doble desconcierta a los astrónomos del Hubble: ‘Estábamos confundidos’

Animación 3D que muestra el telescopio espacial Hubble sobre la Tierra. Crédito: ESA / Hubble (M. Kornmesser y LL Christensen)

Los astrónomos han visto cosas muy extrañas esparcidas por nuestro vasto universo, desde estrellas en explosión hasta galaxias en colisión. Por lo tanto, podría pensar que cuando vean un cuerpo celeste extraño, podrán identificarlo.

pero NASAEl Telescopio Espacial Hubble ha descubierto lo que parece ser un par de objetos de apariencia similar tan extraños que los astrónomos tardaron varios años en determinar cuáles son.

«Estábamos realmente desconcertados», dijo el astrónomo Timothy Hamilton de la Universidad Estatal Shawnee en Portsmouth, Ohio.

Los ovnis consisten en un par de protuberancias galácticas (el eje central lleno de estrellas de una galaxia) y al menos tres líneas paralelas separadas. Hamilton los descubrió por casualidad mientras usaba el Hubble para estudiar un grupo de cuásares, los núcleos humeantes de las galaxias activas.

Después de perseguir teorías sin salida, pedir ayuda a sus colegas y hacer muchos arañazos, Hamilton y el creciente equipo dirigido por Richard Griffiths de la Universidad de Hawái en Hilo, finalmente reúnen todas las pistas para resolver el misterio.

Los objetos lineales eran imágenes estiradas de una galaxia distante con una lente gravitacional, ubicada a más de 11 mil millones de años luz de distancia. Parecían ser imágenes idénticas entre sí.

El equipo descubrió que la inmensa gravedad de un grupo de galaxias superpuestas y no incorporadas en el primer plano de las galaxias distorsiona, amplifica, ilumina y extiende el espacio de una galaxia distante detrás de él, un fenómeno llamado lente gravitacional. Aunque los estudios del Hubble revelan muchas de estas distorsiones de espejos y espejos causadas por lentes gravitacionales, este objeto ha sido singularmente desconcertante.

En este caso, una alineación sutil entre una galaxia en el fondo y un cúmulo de galaxias en primer plano da como resultado dos copias ampliadas de la misma imagen de la galaxia distante. Este raro fenómeno ocurre porque la galaxia de fondo es una ondulación en la estructura del espacio. Esta «ondulación» es una región de mayor inflación, debido a la atracción de densas cantidades de materia oscura, el pegamento invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo. A medida que la luz de la galaxia distante atraviesa el cúmulo a lo largo de esta ondulación, se producen dos imágenes especulares, junto con una tercera imagen que se puede ver desde un lado.

Griffiths compara este efecto con los patrones ondulados brillantes que se ven en el fondo de una piscina. «Piense en la superficie ondulada de una piscina en un día soleado, mostrando patrones de luz brillante en el fondo de la piscina», explicó. Estos patrones brillantes en la parte inferior son causados ​​por un tipo similar de efecto de lente gravitacional. Las ondas en la superficie actúan como lentes parciales y enfocan la luz solar en patrones brillantes en zigzag debajo «.

En una galaxia distante con una lente gravitacional, la onda magnifica y distorsiona la luz de la galaxia de fondo que pasa a través del cúmulo. La corrugación actúa como un espejo imperfectamente curvado que genera los dúplex.

resolver el rompecabezas

Pero este raro fenómeno no era bien conocido cuando Hamilton descubrió las extrañas características lineales en 2013.

Mientras miraba a través de las imágenes del quásar, apareció la toma de imágenes reflectantes y líneas paralelas. Hamilton nunca había visto algo así antes, ni ninguno de los otros miembros del equipo lo había tenido.

«Mi primer pensamiento fue que podrían haber estado interactuando con galaxias con los brazos extendidos de manera puntiaguda», dijo Hamilton. «Realmente no encajaba, pero tampoco sabía qué pensar».

Así que Hamilton y el equipo emprendieron su búsqueda para resolver el misterio de estas desconcertantes líneas rectas, que más tarde fueron apodadas el «Objeto de Hamilton» por su descubridor. Mostraron la extraña imagen a sus colegas en conferencias de astronomía, que provocaron una variedad de respuestas, desde cuerdas cósmicas hasta nebulosas planetarias.

Pero luego Griffiths, que no era miembro del equipo original, ofreció la explicación más plausible cuando Hamilton le mostró la imagen en una reunión de la NASA en 2015. Era una imagen agrandada y distorsionada causada por un fenómeno de lente similar al visto en Hubble. Otras imágenes de cúmulos de galaxias masivas amplifican imágenes de galaxias muy distantes. Griffiths confirmó esta idea cuando se enteró de un objeto lineal similar en un estudio del Hubble del cúmulo profundo.

Sin embargo, los investigadores todavía se enfrentan a un problema. No pudieron determinar la masa de la lente. Por lo general, los astrónomos que estudian los cúmulos de galaxias primero ven el cúmulo en primer plano que causa la reflexión y luego encuentran las imágenes ampliadas de galaxias distantes dentro del cúmulo. La búsqueda de imágenes del Sloan Digital Sky Survey reveló un cúmulo de galaxias en la misma región que las imágenes ampliadas, pero no aparecieron en ningún estudio indexado. Sin embargo, el hecho de que las extrañas imágenes estuvieran en el centro de un cúmulo dejó en claro a Griffiths que el cúmulo estaba produciendo imágenes lenticulares.

El siguiente paso de los investigadores fue determinar si las tres imágenes estaban enfocadas a la misma distancia y, por lo tanto, eran todas imágenes distorsionadas de la misma galaxia distante. Las mediciones espectroscópicas con los observatorios Gemini y WM Keck en Hawai ayudaron a los investigadores a confirmar esta afirmación, mostrando que las imágenes eran de una galaxia ubicada a más de 11 mil millones de años luz de distancia.

La galaxia distante, basada en la reconstrucción de la tercera imagen por lente, parece un vórtice en zigzag con formación continua de estrellas grumosas.

Aproximadamente al mismo tiempo que las observaciones espectroscópicas realizadas por Griffith y estudiantes universitarios en Hilo, un grupo separado de investigadores en Chicago determinó la masa y midió su distancia utilizando datos de Sloan. El cúmulo se encuentra a más de 7 mil millones de años luz de distancia.

Pero con tan poca información sobre el cúmulo, el equipo de Griffiths todavía estaba luchando con cómo explicar estas formas inusuales de lentes. «Esta lente gravitacional es muy diferente de la mayoría de las lentes que Hubble ha estudiado antes, particularmente en el estudio de racimos de Hubble Frontier Fields», explicó Griffiths. «No tienes que mirar esos grupos durante demasiado tiempo para encontrar muchas lentes. En este objeto, esta es la única lente que tenemos. Y ni siquiera sabíamos sobre el grupo al principio».

Mapeo invisible

Fue entonces cuando Griffith se puso en contacto con una experta en teoría de lentes gravitacionales, Jenny Wagner de la Universidad de Heidelberg en Alemania. Wagner estudió objetos similares y, junto con su colega Nicholas Tessur, ahora en la Universidad de Manchester en Inglaterra, desarrolló un programa de computadora para interpretar lentes únicos como estos. Su software ayudó al equipo a descubrir cómo aparecían las tres imágenes con una lente. Concluyeron que la materia oscura alrededor de las imágenes extendidas debería distribuirse «suavemente» en el espacio a escalas pequeñas.

«Es genial que solo necesitemos dos imágenes de espejo para obtener una medida de cuán grumosa está o no la materia oscura en estas posiciones», dijo Wagner. «Aquí, no estamos usando ningún modelo de lente. Simplemente tomamos lo que se puede observar de las múltiples imágenes y el hecho de que se pueden convertir entre sí. Se pueden plegar mediante nuestro método. Esto realmente nos da una idea de lo suave que es la materia oscura en estas dos posiciones «.

Este hallazgo es importante, dijo Griffiths, porque los astrónomos aún no saben qué es la materia oscura, casi un siglo después de su descubrimiento. Sabemos que es una forma de materia, pero no tenemos idea de qué está hecha la partícula. Entonces no sabemos en absoluto cómo se comporta. Solo sabemos que tiene masa y está sujeto a la gravedad. La importancia de los límites de tamaño en la aglomeración, o suavidad, es que nos dan algunas pistas sobre qué es una partícula. Cuanto más pequeña sea la materia oscura, más masivas deberían ser las partículas «.

El documento del equipo aparece en la edición de septiembre de Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Referencia: «El cuerpo de Hamilton: una galaxia agrupada que se extiende a lo largo de la gravedad cáustica de una multitud galáctica: restricciones en la agrupación de materia oscura» por Richard E. Griffiths, Mitchell Rudisel, Jenny Wagner, Timothy Hamilton, Bo Chih Huang y Caroline Felforth, 17 de mayo 2021, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab1375

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de colaboración internacional entre la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA). El telescopio es operado por el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por el Consorcio de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, DC