24 de julio de 2014

Materia menos oscura

Medir la cantidad y la distribución de la masa dentro de los objetos más distantes del Universo no es una tarea fácil. Una técnica usada muy a menudo por los astrónomos es la de explorar los grandes cúmulos de galaxias mediante los efectos gravitacionales que tienen lugar en la luz de objetos alineados con estos cúmulos pero situados muchísimo más lejos, es decir, usando las conocidas como lentes gravitatorias. Este es uno de los principales objetivos de Frontier Fields, un ambicioso programa de observación del Hubble (NASA/ESA) donde entran en juego seis cúmulos de galaxias diferentes, incluido MACS J0416.1-2403 que aparece en la siguiente imagen:

Imagen 1: Aspecto del cúmulo de galaxias MACS J0416.1-2403 captado por el telescopio espacial Hubble. Créditos: Hubble (NASA/ESA), HST Frontier Fields.

Las lentes gravitatorias son una de las consecuencias demostradas de la teoría de la Relatividad de Albert Einstein donde las grandes acumulaciones de masa distorsionan el espacio-tiempo. Esta distorsión está cuantificada y actúa como una lente ampliando y desviando la luz que próxima a estas grandes acumulaciones de materia.

No es suficiente

Pero a pesar de las grandes masas de estos cúmulos de galaxias, el efecto en su entorno suele ser mínimo. En su mayor parte se producen lo que se conoce como efecto débil de lente (weak lensing), por lo que incluso las fuentes más distantes tan sólo aparecen ligeramente más elípticas.

En el caso de que el cúmulo sea grande, lo suficientemente denso y la alineación del cúmulo con el objeto distante sea la correcta, los efectos pueden llegar a ser significativos. Imágenes de galaxias normales pueden transformarse en anillos y arcos de luz, incluso mostrarse varias veces en una misma imagen. Este efecto es conocido como un efecto fuerte de lente (strong lensing), y es este fenómeno hacia donde va dirigido el programa Frontier Fields, utilizado para cartografiar la distribución masiva de cúmulos galácticos como MACS J0416.1-2403, y así ha sido.

"La solidez de los datos nos permite ver objetos muy débiles y nos ha permitido identificar las galaxias a través lentes como nunca antes", explica Mathilde Jauzac de la Durham University (Reino Unido) y el Astrophysics & Cosmology Research Unit (Sudáfrica), autora principal de la investigación. "A pesar del fuerte efecto de lente, las galaxias de fondo están muy lejos y todavía se muestran muy débiles. La grandeza de estos datos implica que podemos identificar galaxias de fondo muy distantes. Ahora conocemos cuatro veces más galaxias con efecto fuerte de lente que antes."

Más galaxias

Usando el instrumento ACS (Advanced Camera for Surveys) del Hubble, los astrónomos han identificado 51 nuevas galaxias en el clúster, multiplicando por cuatro el número encontrado en estudios anteriores y lleva el número total de galaxias con efecto lente a 68. Algunas de estas galaxias aparecen varias veces en las imágenes debido a efectos de multiplicación lenticular. En total se pueden ver casi 200 eventos fuertes de lente, lo que ha permitido a Jauzac y su equipo obtener la distribución de la materia en el cúmulo y producir un mapa de su masa.

Además, la lente gravitatoria es uno de los pocos métodos para detectar la materia oscura, esto es, materia que no puede ser vista directamente, ya que no somos capaces de detectar ni emisión ni reflexión de su luz. Por lo tanto, el nuevo mapa de materia está compuesto tanto de materia visible como de materia oscura.

"A pesar de que sabemos desde hace más de veinte años cómo cuantificar la masa de un cúmulo mediante un efecto fuerte de lente, hemos necesitado mucho tiempo para conseguir telescopios que puedan hacer observaciones lo suficientemente precisas como para que nuestros modelos obtengan tanto detalle de un sistema tan complicado como MACS J0416.1-2403 ", afirma Jean Paul Kneib, miembro del equipo científico.

Mediante el estudio de las nuevas 57 galaxias con efecto de lente, los astrónomos modelaron la masa de tanto la materia normal como de la oscura dentro MACS J0416.1-2403. "Nuestro mapa es dos veces mejor que cualquiera de los modelos anteriores del cúmulo", añade Jauzac.

Imagen 2: Aspecto del cúmulo MACS J0416.1-2403 donde aparecen rodeadas en rojo las imágenes lente utilizadas para este estudio. Créditos: Hubble (NASA/ESA), HST Frontier Fields. Agradecimientos: Mathilde Jauzac y Jean-Paul Kneib.

La masa total dentro de MACS J0416.1-2403, modelado a lo largo de 650.000 años luz de diámetro, equivaldría a 160 billones de masas solares con una incertidumbre en la medida de 0,5%, es decir, una medición varias veces más precisa que cualquier otro mapa de cúmulos. Es tal la precisión que los astrónomos también están midiendo la deformación del espacio-tiempo.

"Las observaciones de la campaña Frontier Fields y las técnicas de lente gravitacional han abierto un camino para caracterizar de forma muy precisa los objetos distantes, en este caso un grupo de galaxias tan lejano que su luz ha tardado 4.500 millones de años en llegar a nosotros", añade Jean-Paul Kneib. "Pero no vamos a parar aquí. Para obtener una imagen completa de la masa también es necesario incluir medidas de efectos débiles de lente que, aunque sólo puede dar una estimación aproximada de la masa del núcleo interno de un cúmulo, la lente débil proporciona información valiosa sobre la masa que lo rodea".

Nuevos objetivos

El equipo continuará estudiando el cúmulo mediante imágenes ultra profundas del Hubble obteniendo información detallada de efectos de lente tanto fuertes como débiles con el objetivo de seguir mapeando las regiones exteriores del cúmulo y por lo tanto, detectar las subestructuras de los alrededores. Ese es el próximo objetivo. También se utilizarán los datos en rayos X proporcionados por el observatorio Chandra de los corrimientos al rojo y espectroscopía de gases calientes para saber más sobre el contenido del cúmulo contribuyendo así al mayor conocimiento de la materia oscura.

Imagen 3: Aspecto del cúmulo MACS J0416.1-2403 donde la intensidad variable de neblina azul corresponde al nuevo mapa de masas. Créditos: Hubble (NASA/ESA), HST Frontier Fields.

La combinación de estas fuentes de datos mejorará todavía más el detalle de este mapa de distribución de masas. Se podrá mostrar en 3D incluyendo las velocidades relativas de las galaxias que lo componen. Esto allana el camino para la comprensión de la historia y la evolución de este cúmulo de galaxias. Por otro lado, con estudios como estos la materia oscura es cada vez un poco menos oscura.
Los resultados de esta investigación serán publicados en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 24 de julio de 2014 bajo el título “Hubble Frontier Fields: A High-Precision Strong-Lensing Analysis of Galaxy Cluster MACS J0416.1-2403 Using ~200 Multiple Images”

El equipo científico que ha participado en la investigación está compuesto por M. Jauzac (Durham University, Reino Unido; Astrophysics & Cosmology Research Unit, Sudáfrica), B. Clement (University of Arizona, Estados Unidos), M. Limousin (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Francia; University of Copenhagen, Dinamarca), J. Richard (Université Lyon, Francia), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Francia), H. Ebeling (University of Hawaii, Estados Unidos), H. Atek (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza), J.-P. Kneib (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza; Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Francia), K. Knowles (University of KwaZulu-Natal, Sudáfrica), P. Natarajan (Yale University, Estados Unidos), D. Eckert (University of Geneva, Suiza), E. Egami (University of Arizona, Estados Unidos), R. Massey (Durham University, Reino Unido) y M. Rexroth (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza).
Imágenes 1, 2 y 3: Composición creada a través de imágenes tomadas por el instrumento ACS (Advanced Camera for Surveys) del Hubble en los siguientes filtros:
Banda Infrarroja (filtro I: 814 nm)
Banda Óptica (filtro G: 606 nm)
Banda Óptica (filtro B: 435 nm)

Nota de prensa:

Artículo científico:

Referencias:

Agradecimientos:
Mathilde Jauzac y Jean-Paul Kneib.

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