El universo bajo la lupa

El efecto de lente gravitacional, un fenómeno que actúa como una lupa espacial gigante, brinda información sobre los componentes del Universo, su pasado y su expansión. Durante los próximos 10 años, la nueva generación de telescopios proporcionará cientos de miles de observaciones de este efecto. Los cosmólogos de todo el mundo confían en estos datos para desentrañar los misterios perdurables del Universo.

Desde su publicación el 11 de julio de 2022, la imagen a continuación (ver Figura 1) ha impresionado por su belleza, la hazaña técnica que encarna y su revelación de la parte más profunda del Universo observada hasta ahora.[1]. Sin embargo, otro aspecto debe llamar la atención: la presencia de arcos luminosos y galaxias con formas alargadas. Estos elementos apuntan a lentes gravitacionales, un fenómeno que podría responder algunas de las preguntas más urgentes sobre el Universo.

El cúmulo de galaxias SMACS 0723 captado por el telescopio espacial (Un telescopio espacial es un telescopio colocado más allá de la atmósfera. El…) James Webb.
Fuentes: NASA, ESA, CSA, STScI[2] Esta imagen, captada por el Telescopio Espacial James Webb (Un telescopio, (del griego tele que significa «lejos» y skopein que significa…) espacial James Webb (JWST), presenta las galaxias del cúmulo SMACS 0723, unidas por la gravitación ( La gravitación es el fenómeno de interacción física que provoca la atracción…), así como otras galaxias en primer plano y en segundo plano[3]. El efecto de lente gravitacional se produce cuando la luz de una galaxia (Galaxies es una revista francesa trimestral dedicada a la ciencia ficción. Con…) pasa a través del fondo (Una travesía es una parte fundamental del camino. Esta es una pieza colocada a través de…) el campo gravitatorio del cúmulo. Este último desvía la luz a lo largo de una curva. Por lo tanto, el telescopio detecta una imagen alargada o curva de la galaxia de fondo.[4]. Es un poco como mirar una vela a través del tallo de una copa de vino. La luz de la llama se amolda a la forma del vidrio y aparecen arcos de luz, a medida que la luz de la galaxia se curva según la forma del campo gravitatorio.

Exponiendo lo invisible

El efecto de lente gravitacional de SMACS 0723 no puede explicarse solo con la materia visible, como estrellas, nubes de polvo y planetas. El poder (La palabra poder se usa en varios campos con un significado particular) del efecto requiere una gravitación mucho mayor que la generada por estos elementos. La parte que falta proviene del componente principal de los cúmulos de galaxias, es decir, la materia oscura.[5].

Este último no emite luz, no la refleja y no la absorbe. Por lo tanto, escapa a cualquier detección por telescopio. Su existencia se revela más bien por sus efectos gravitatorios, como el de la lente. Gracias a estos efectos, los científicos determinaron a fines de la década de 2000 que la materia oscura constituye el 83% de toda la materia del Universo.[6]. Por otro lado, su verdadera naturaleza se les escapa. La materia visible se descompone en protones, electrones y neutrones, partículas cuyas propiedades e interacciones están bien documentadas. Se desconocen los equivalentes de la materia oscura. Las hipótesis sobre sus constituyentes abarcan todas las escalas, desde partículas microscópicas hasta gigantescos agujeros negros[7].

Las lentes gravitacionales siguen siendo una de las pocas formas de investigar esta sustancia intrigante. Entre otras cosas, atestigua su distribución en el cúmulo de galaxias, que depende de la masa de sus componentes. Por ejemplo, si la materia oscura está dispersa por todo el cúmulo, significa que su masa es baja. De lo contrario, su masa generaría una potente gravitación que la concentraría en el centro del cúmulo.[8]. El efecto de lente gravitacional, por lo tanto, proporciona valiosas pistas sobre esta enigmática materia que domina el Universo.

Diagrama de un efecto de lente gravitacional.
Fuente: Eva Campeau-Poirier.

observando el pasado

Una de las misiones del Telescopio Espacial James Webb tiene como objetivo estudiar las primeras galaxias. Este último tuvo un impacto significativo en la evolución del Universo al producir y difundir los elementos químicos que componen las estrellas, los planetas y los seres vivos en la actualidad. Sin embargo, los mecanismos involucrados en esta producción siguen siendo poco conocidos. Además, el proceso de formación de estas galaxias también sigue siendo una pregunta abierta.[9].

Las primeras galaxias son también las más lejanas, lo que complica esta misión. Efectivamente, dado que la velocidad de la luz es siempre la misma, cuanto más lejos está una galaxia, más tiempo tarda su luz en llegar a la Tierra y más antigua es la imagen cuando se detecta. Sin embargo, las galaxias distantes representan objetivos de pequeño tamaño y baja luminosidad (Luminosidad designa la característica de lo que emite o refleja…)[10].

Aunque el Telescopio Espacial James Webb está diseñado para enfrentar este desafío, todavía se beneficia de la ayuda del efecto de lente gravitacional. Esto, además de distorsionar las imágenes, las magnifica e intensifica su luminosidad.[11]. En el caso de la fotografía de SMACS 0723, el efecto de lente gravitacional multiplicó por diez la resolución de las imágenes de las galaxias de fondo, proporcionando un nivel de detalle sin precedentes. Además, permite distinguir galaxias que están mucho más allá del cúmulo. Algunos parecen hasta 13.100 millones de años más jóvenes que su edad actual.[12]. A modo de comparación, el Universo tiene unos 13.800 millones de años.[13]. Por lo tanto, el efecto de lente gravitacional resulta ser un aliado invaluable para el telescopio James Webb para cumplir su misión.

Resolver un conflicto

Cuando se hornean los muffins de arándanos, la masa se hincha y los arándanos se separan unos de otros. El Universo se compara con la masa y las galaxias con los arándanos. Así, todas las galaxias se están alejando unas de otras. Sin embargo, no se mueven: es más bien el espacio entre ellos el que se estira. Es a este tramo al que se refiere el término expansión del Universo.

La velocidad a la que se expande el Universo es actualmente objeto de controversia: dos métodos para medirlo consiguen dos resultados diferentes. Por lo tanto, uno de los dos métodos debe indicar un valor incorrecto. Uno de ellos se basa directamente en las ecuaciones actualmente aceptadas para describir el Universo. Si resulta ser incorrecto, arrojaría dudas sobre varios logros de la cosmología.[14].

El efecto de lente gravitacional podría decidir entre los métodos en desacuerdo. Desvía la luz dependiendo de la distancia que recorre. Como la tasa de expansión del Universo alarga constantemente el espacio, afecta directamente esta distancia. El tiempo de viaje de la luz se convierte fácilmente en distancia, ya que su velocidad es siempre la misma. Por lo tanto, la distancia del camino se deduce cronometrando el camino de la luz. Luego, al analizar la imagen distorsionada, los especialistas aíslan la contribución de la tasa de expansión del Universo y evalúan el valor de esta última. El efecto de lente gravitacional podría validar así una de las medidas de la tasa de expansión del Universo.[15].

La fotografía del cúmulo SMACS 0723, por lo tanto, no solo muestra la parte más profunda del Universo observada hasta ahora. Revela la materia oscura invisible. Muestra el pasado, magnificado bajo una lupa. Una imagen similar podría cerrar el debate sobre la tasa de expansión del Universo. Todo gracias al efecto de lente gravitacional. Aunque este fenómeno es una excelente herramienta para estudiar el Universo, aún quedan muchos desafíos técnicos para extraer toda la información que esconde.[16]. Si los cosmólogos logran aprovechar todo el potencial del efecto de lente gravitacional, bien podría ser la clave para descubrir los últimos secretos del Universo.

– Un artículo de Ève Campeau-Poirier, estudiante del programa de maestría en física (Física (del griego φυσις, naturaleza) es etimológicamente la…) de la Universidad de Montreal (La Universidad de Montreal es uno de los cuatro establecimientos educativos …)

Referencias

[1] Garner, R. (12 de julio de 2022). Webb de la NASA ofrece la imagen infrarroja más profunda del Universo hasta el momento. sitio web de la NASA https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet

[2] NASA, ESA, CSA, STScI. (12 de julio de 2022). El primer campo profundo de Webb (Imagen NIRCam) [image en ligne]. Telescopio espacial Webb. https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7DCWB7137MYJ05CSH1Q5Z1Z?news=true

[3] Ibídem.

[4] Nasa. (Actualizado el 30 de mayo de 2019). Lentes gravitacionales. Sitio Hubble. https://hubblesite.org/contents/articles/gravitational-lensing

[5] Langweil, M. (15 de julio de 2022). Cuatro preguntas: Risa Wechsler sobre lo que revelan las imágenes del telescopio espacial James Webb. Noticias de Stanford. https://news.stanford.edu/2022/07/15/four-questions-risa-wechsler-james-webb-space-telescope-images-reveal/

[6] Massey, R., Kitching, T. y Richard, J. (2010). La materia oscura de las lentes gravitacionales. Reports on Progress in Physics, 73, 26 p. http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/73/8/086901

[7] Ibídem.

[8] Weinberg, SH, Bullock, JS, Governato, F., Kuzio de Naray, R. et Peter, AHG (2 de febrero de 2015). Materia oscura fría: controversias a pequeña escala. Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 112(40), 12249-12255. https://doi.org/10.1073/pnas.1308716112

[9] Jenkins, A. y Pulliam, C. (21 de marzo de 2019). Webb de la NASA para explorar galaxias desde el amanecer cósmico hasta la actualidad. Telescopio espacial Webb. https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2019/news-2019-20?Category=03-galaxies&page=2&filterUUID=d252bcd2-d0eb-4fae-83f4-e58d64e1e282b

[10] Ibídem.

[11] Ibídem.

[12] Labelle, A. (2022). Las primeras observaciones del telescopio James Webb reveladas al mundo. Radio-Canada.https://ici.radio-canada.ca/nouvelle/1897387/webb-premieres-observations-nasa-nebuleuses-galaxies-spectre-exoplanete

[13] Ade, PAR, Aghanim, N, Armitage-Caplan, C, Arnaud, M, Ashdown, M, Atrio-Barandela, F, Aumont, J, Baccigalupi, C, Banday, AJ, Sweeper, RB, Bartlett, JG, Battaner, E. , Benabed , K. , Benoit , A. , Benoit-Lévy , A. , Bernard , J.-P. , Bersanelli , M. , Bielewicz , P. , Bobin , J. , . … Zonca, A. ( noviembre de 2014). Resultados de Planck 2013. XVI. Parámetros cosmológicos. Astronomía y Astrofísica, 571(A16), 66 p. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201321591

[14] Di Valentino, E., Mena, O., Pan, S., Visinelli, L., Yang, W., Melchiorri, A., Mota, DF, Riess, AG et Silk, J. (2021). En el reino de la tensión de Hubble: una revisión de las soluciones. Gravedad clásica y cuántica, 38(15), 110 p. https://doi.org/10.1088/1361-6382/ac086d

[15] Treu, T. y Marshall, PJ (2016). Cosmografía de retardo de tiempo. Revista de astronomía y astrofísica, 24 (11), 41 p. https://doi.org/10.1007/s00159-016-0096-8

[16] Ibídem.

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