Sistema de lente alta SDSS J0919+2720 Crédito: astronomía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01982-2
Un equipo de científicos de la EPFL ha encontrado una manera de utilizar el fenómeno de las lentes gravitatorias fuertes para determinar con precisión, unas tres veces más que cualquier otra técnica, las masas de una galaxia que contiene un cuásar, así como su evolución cósmica en el tiempo. Conocer la masa de las galaxias anfitrionas del cuásar proporciona información sobre cómo evolucionaron las galaxias en el universo primitivo, lo que permite construir escenarios para la formación de galaxias y el desarrollo de agujeros negros. Los resultados se publican en astronomía de la naturaleza.
“La precisión y la exactitud sin precedentes logradas con lentes gravitacionales brindan una nueva vía para estimaciones de masa sólidas en el Universo distante, donde las técnicas convencionales son imprecisas y propensas a errores del sistema”, dice el astrofísico de la EPFL Frédéric Courbin, autor principal del estudio.
“Las masas de las galaxias anfitrionas se han medido en el pasado, pero gracias a las lentes gravitatorias, esta es la primera vez que la medición es tan precisa en el universo distante”, explica Martin Millon, autor principal del estudio y ahora profesor de Stanford. Becario universitario en una beca SNF.
Una combinación de lentes gravitacionales y cuásares
Un cuásar es una manifestación luminosa de un agujero negro supermasivo que acumula materia circundante en el centro de su galaxia anfitriona. En general, es difícil medir qué tan pesada es la galaxia anfitriona de un cuásar porque los cuásares son objetos muy distantes y también porque son tan brillantes que eclipsan cualquier cosa en su vecindad.
La lente gravitatoria nos permite calcular la masa del objeto de la lente. Gracias a la teoría de la gravedad de Einstein, sabemos cómo los objetos masivos en el primer plano del cielo nocturno, la lente gravitatoria, pueden desviar la luz de los objetos del fondo. Los extraños anillos de luz resultantes son en realidad distorsiones de la luz del objeto de fondo por la lente gravitacional.
Courbin iba en bicicleta al Observatorio Sauverny hace más de una década cuando se dio cuenta de que podía combinar los dos, cuásares y lentes gravitacionales, para medir la masa de la galaxia anfitriona del cuásar. Para ello, tuvo que encontrar un cuásar en la galaxia que también actúe como lente gravitacional.
Hasta ahora se han observado pocos cuásares con lentes gravitacionales.
La base de datos Sloan Digital Sky Survey (SDSS) era un excelente lugar para buscar posibles candidatos a lentes gravitacionales para los cuásares, pero para estar seguros, Courbin necesitaba ver los anillos de lentes. En 2010, él y sus colegas cronometraron el telescopio espacial Hubble para observar cuatro candidatos, tres de los cuales mostraban lentes. De los tres, uno tenía anillos de lentes gravitacionales distintivos: SDSS J0919+2720.
La imagen HST SDSS J0919+2720 que se ve aquí muestra dos objetos brillantes en primer plano, cada uno actuando como una lente gravitatoria, “probablemente dos galaxias en proceso de fusión”, explica Courbin. El de la izquierda es un cuásar brillante en su galaxia anfitriona demasiado tenue para ser visto. El objeto brillante de la derecha es otra galaxia, la principal lente gravitatoria. El objeto débil de la izquierda es una galaxia compañera. Los anillos distintivos son luz distorsionada de la galaxia de fondo.
Modelado por ordenador de lentes al rescate
Al analizar cuidadosamente los anillos con lentes gravitacionales en SDSS J0919+2720, es posible determinar la masa de dos objetos brillantes… en principio. Desentrañar las masas de diferentes objetos hubiera sido imposible sin el reciente desarrollo de una técnica de modelado de lentes basada en ondículas por parte del coautor Aymeric Galan, ahora en la Universidad Técnica de Munich (TUM), también con una subvención de SNF.
Crédito: EPFL/Austin Peel
“Uno de los mayores desafíos de la astrofísica es comprender cómo se forman los agujeros negros supermasivos”, explica Galán. “Conocer su masa, las comparaciones con su galaxia anfitriona y cómo evolucionó en tiempos cósmicos nos permite rechazar o confirmar ciertas teorías de formación”.
“En el universo local, observamos que las galaxias más masivas también tienen los agujeros negros más masivos en sus centros. Esto puede sugerir que el crecimiento de las galaxias está regulado por la cantidad de energía radiada por su agujero negro central e inyectada en la galaxia”. Sin embargo, para probar esta teoría, todavía necesitamos estudiar estas interacciones no solo localmente, sino también en el universo lejano”, explica Millon.
Los fenómenos de lentes gravitacionales son muy raros, con una galaxia entre mil exhibiendo este fenómeno. Dado que los cuásares son visibles en aproximadamente una de cada mil galaxias, un cuásar que actúa como una lente ocurre una vez en un millón. Los científicos esperan detectar cientos de estos cuásares de lente con la misión Euclid de ESA-NASA, que se lanzará este verano en el cohete Falcon-9 de SpaceX.
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne