El universo bajo la lupa | Agencia de Prensa Científica

Desde su publicación el 11 de julio de 2022, la imagen a continuación (ver Figura 1) ha impresionado con su belleza, la destreza técnica que encarna y la 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 puede responder algunas de las preguntas más urgentes sobre el Universo.

Cúmulo de galaxias SMACS 0723 capturado por el Telescopio Espacial James Webb
Fuentes: NASA, ESA, CSA, STScI[2]

Esta imagen, capturada por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), muestra las galaxias en el cúmulo SMACS 0723, conectadas por gravitación*, así como otras galaxias en primer plano y fondo[3]. La lente gravitacional ocurre cuando la luz de una galaxia de fondo pasa a través de la campo gravitacional * del aglomerado. Este último dobla 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 pie de una copa de vino. La luz de la llama se amolda a la forma del cristal y aparecen arcos de luz a medida que la luz de la galaxia se curva según la forma del campo gravitatorio.

Diagrama de un efecto de lente gravitacional
Fuente: Eve Campeau-Poirier

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 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, materia oscura *[5].

Este último no emite luz, no la refleja ni la absorbe. Por lo tanto, escapa a cualquier detección por telescopio. Su existencia se revela primero 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 los elude. La materia visible se descompone en protones, electrones y neutrones, partículas cuyas propiedades e interacciones están bien documentadas. Los equivalentes de la materia oscura siguen siendo desconocidos. Las hipótesis sobre sus constituyentes cubren todas las escalas, desde partículas microscópicas hasta agujeros negros gigantes.[7].

Las lentes gravitacionales siguen siendo una de las pocas formas de investigar esta sustancia intrigante. Entre otras cosas, da testimonio de 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.

viendo 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 hoy forman estrellas, planetas y seres vivos. 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.[10].

Aunque el Telescopio Espacial James Webb fue diseñado para enfrentar este desafío, todavía se beneficia de la ayuda de las lentes gravitacionales. Esto, además de distorsionar las imágenes, las agranda 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, te permite distinguir galaxias que están mucho más allá del cúmulo. Algunos parecen 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]. El efecto de lente gravitacional resulta, por tanto, un aliado inestimable del Telescopio James Webb para cumplir su misión.

resolver un conflicto

Cuando se hornean los muffins de arándanos, la masa se hincha, separando los arándanos uno del otro. El Universo se compara con la masa y las galaxias con los arándanos. Así que todas las galaxias se están alejando unas de otras. Sin embargo, no se mueven: por el contrario, el espacio entre ellos se estira. Es por este pasaje que la expresión expansión del universo.

La velocidad a la que se expande el Universo es actualmente objeto de controversia: dos métodos de medición logran 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 me equivoco, arrojaría dudas sobre varios logros en cosmología.[14].

El efecto de lente gravitacional podría decidir entre los métodos en desacuerdo. Dobla la luz dependiendo de la distancia que viaje. Como la tasa de expansión del Universo aumenta 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, analizando la imagen distorsionada, los especialistas aíslan la contribución de la tasa de expansión del Universo y evalúan su valor. 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 vista hasta ahora. Revela materia oscura invisible. Muestra el pasado, magnificado bajo una lupa. Una imagen similar podría terminar con 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 pueden aprovechar todo el potencial del efecto de lente gravitacional, muy bien podría ser la clave para descubrir los últimos secretos del Universo.

— Artículo de Ève Campeau-Poirier, estudiante del programa de maestría en física de la Université de Montréal