30 de Septiembre de 2022
Astrofísica

Catorce años para medir el retardo de la luz de un cuásar

La luz de una fuente lejana sometida al efecto de lente gravitatoria nos llega por varios caminos que no son igual de largos, pero nunca se había observado una diferencia tan grande (de casi siete años) en los tiempos de llegada.

El cúmulo de galaxias SDSS J1004+4112, visto aquí en una imagen captada por el telescopio espacial Hubble, es una de las lentes gravitatorias más estudiadas. Gracias a ella, se ha podido determinar el mayor retraso jamás medido en los tiempos de llegada de la luz de un cuásar. [ESA, NASA, Keren Sharon (Universidad de Tel Aviv), Eran Ofek (CalTech)]

La ciencia de las lentes gravitatorias ha avanzado mucho desde que se detectó la primera de ellas en el año 1979. La complejidad de las observaciones y de sus resultados no solo confirma una y otra vez la teoría de la relatividad general, sino que abre la puerta a estudios sorprendentes en multitud de campos de la astrofísica.

Un equipo internacional, con una participación española muy destacada, ha publicado dos artículos basados en la observación de lentes gravitatorias en el ámbito cosmológico que ilustran el vigor de este campo de trabajo. Los investigadores han logrado medir la mayor diferencia observada hasta la fecha entre los tiempos de llegada de la luz procedente de distintas imágenes de un cuásar (las cuales aparecen debido al efecto de lente gravitatoria).

Aunque el hecho de que la luz debía desviarse por la acción de la gravedad parecía razonable incluso en la mecánica newtoniana, las predicciones sobre la magnitud de este efecto diferían entre el marco clásico y el establecido por la teoría de la relatividad general. El experimento de Eddington, que forma ya parte de la historia de la ciencia, sirvió para zanjar el debate. Observando durante un eclipse solar total, el equipo de Eddington demostró que Einstein estaba en lo cierto: las estrellas cambian de posición aparente porque su luz se desvía en el seno del campo gravitatorio del Sol.

En las lentes gravitatorias, ese fenómeno alcanza cotas extremas: una masa lo bastante grande (llamada lente), observada desde lejos, desvía la luz procedente de los objetos de fondo hasta el punto de provocar fenómenos parecidos a los que se observan con las lentes ópticas usuales: deformaciones en las imágenes, amplificación del brillo aparente, cambios de posición o, incluso, aparición de múltiples imágenes de un mismo cuerpo.

Esa es la situación en muchos contextos cosmológicos, en los que un cúmulo de galaxias actúa como lente. La forma, masa, distancia y otras propiedades de la lente, así como la ubicación y naturaleza de los objetos de fondo, pueden dar lugar a efectos caprichosos como imágenes múltiples, triángulos, cruces, arcos o anillos de luz.

La lente gravitatoria SDSS J1004+4112, fotografiada por el telescopio espacial Hubble. En el centro de la imagen destaca la galaxia más brillante del cúmulo, rodeada por imágenes múltiples de diversos objetos de fondo, entre los que se incluyen varias galaxias y el cuásar que estudiaron los autores. [ESA, NASA, Keren Sharon (Universidad de Tel Aviv), Eran Ofek (CalTech)]

El cúmulo de galaxias SDSS J1004+4112 es una de las lentes gravitatorias más estudiadas. Se trata de un cúmulo masivo situado a unos 2500 megapársecs de la Tierra (lo que equivales a unos 8000 millones de años luz, o a un corrimiento al rojo de z = 0,68) y que multiplica, amplifica y deforma las imágenes de los objetos más distantes. Entre esos cuerpos de fondo, hay un cuásar del que se forman nada menos que cinco imágenes puntuales distintas. Ese cuásar corresponde al núcleo activo de una galaxia ubicada al doble de distancia que el cúmulo lente, a unos 4800 megapársecs (15.600 millones de años luz, o z = 1,73).

La luz procedente de cada imagen del cuásar sigue una trayectoria distinta por el espacio hasta llegar a nosotros. En particular, esos caminos tienen una longitud diferente, por lo que la radiación los recorre en tiempos distintos. Eso quiere decir que cada una de las cinco imágenes corresponde a un determinado instante temporal. Como los cuásares son fuentes variables, el análisis de la «curva de luz» (la gráfica de la intensidad de la luz en función del tiempo) de cada imagen permite deducir la diferencia de tiempos entre ellas.

Las características de la lente gravitatoria SDSS J1004+4112 hacen que sea una de las más observadas. Las cinco imágenes del cuásar se reparten por una región del cielo que mide más de diez segundos de arco, y eso permite medir su brillo por separado con bastante comodidad, salvo en el caso de la réplica más débil. Esta, designada mediante la letra E, además se superpone con el núcleo de la galaxia más brillante del cúmulo lente, por lo que hasta ahora siempre ha quedado fuera de las campañas de medidas fotométricas.

El trabajo recién publicado ha analizado datos fotométricos de ese sistema, acumulados en más de mil noches a lo largo de unos quince años. Como vemos en la siguiente figura, las cuatro imágenes del cuásar que se han estudiado presentan curvas de luz muy similares, pero desplazadas en el tiempo unas respecto de las otras. Se toma como referencia la imagen C, porque es de la que antes nos llega la luz. El retardo de las imágenes A y B ya era conocido, aunque ahora se ha precisado aún más, y asciende a 826 y 782 días, respectivamente. Además, se ha determinado que el retardo para la fuente D es de nada menos que 2457 días (6,7 años), el mayor jamás medido en un sistema de este tipo.

La lente gravitatoria SDSS J1004+4112 genera cinco imágenes de un cuásar de fondo, identificadas como A, B, C, D y E sobre una fotografía real del sistema (<em>izquierda</em>). La imagen E es la más tenue y se superpone con la región más brillante de la galaxia central del cúmulo. Las curvas de luz de las otras cuatro imágenes (<em>derecha</em>) se asemejan mucho entre sí, aunque aparecen desplazadas debido al retardo temporal que afecta a cada imagen del cuásar. La escala inferior indica el tiempo en días desde una fecha arbitraria, mientras que la superior marca el inicio de cada año. [Fuentes: ESA, NASA, Keren Sharon (Universidad de Tel Aviv) y Eran Ofek (CalTech) (<em>fotografía</em>); José A. Muñoz et al. en <em><a href="https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8877">The Astrophysical Journal</a></em>, vol. 937, art. 34, septiembre de 2022 (<em>curvas de luz</em>)]

Un segundo artículo aprovecha ese resultado para pulir el modelo del cúmulo lente. A tal fin, se tiene en cuenta toda la información disponible: posiciones y brillos de las imágenes tanto del cuásar como de otras galaxias de fondo; posiciones, brillos y formas de las galaxias del cúmulo lente (sobre todo de su galaxia más brillante); retardos entre las curvas de luz del cuásar; desplazamientos al rojo de todas las fuentes, etcétera. El grado de detalle es tal que se llega a modelar la masa, la forma y el perfil de masas de cada galaxia individual del cúmulo lente. También se introducen parámetros para evaluar la cantidad de materia oscura del cúmulo, así como algunos rasgos de su distribución espacial.

Aunque el modelo resultante reproduce todos los datos de partida, los autores reconocen que este tipo de problemas son altamente degenerados, lo que quiere decir que hay muchas posibles soluciones que conducen a resultados similares. Como indican en su artículo, «de hecho, la capacidad de los modelos para predecir los retrasos no medidos ha sido muy pobre». Aun así, el equipo se atreve a formular una predicción para el único retardo pendiente de determinar —el de la quinta imagen, la más débil y difícil de medir—, el cual estiman en 2854 días (7,8 años). El tiempo dirá si resulta posible contrastar este resultado.

La escasez de sistemas similares y las dificultades intrínsecas a los modelos hacen que, a día de hoy, los estudios de este tipo no hayan sido capaces de cumplir una de las mayores expectativas que habían generado: la de ofrecer estimaciones independientes del valor de la constante de Hubble (H0). Este parámetro, que caracteriza el ritmo actual al que se expande el universo, se ha visto envuelto desde hace décadas en un problema conocido como la tensión de H0: existen dos conjuntos de determinaciones muy precisas de esta constante (uno de ellos basado en observaciones del universo temprano, y el otro, del universo local), pero que son incompatibles entre sí, sin que nadie tenga claro el motivo.

Sin embargo, el análisis astrométrico y fotométrico de imágenes múltiples de cuásares sí despliega todo su potencial en otros aspectos de la cosmología moderna, como el análisis de la materia oscura o de la estructura y evolución de los cúmulos de galaxias, por no hablar de la ciencia sobre los propios núcleos activos de galaxias: no olvidemos que las lentes gravitatorias ponen al alcance de los telescopios cuásares muy lejanos, y por tanto primitivos, que no sería posible estudiar de no ser por estos juegos de luz einstenianos.

Los futuros avances observacionales, en la superficie y en el espacio, ampliarán el número de sistemas similares estudiados, a la vez que permitirán profundizar en los ya conocidos. Entretanto, los dos nuevos artículos constituyen un ejemplo excelente de la ciencia de vanguardia que solo se puede lograr, por ahora, a través de grandes cantidades de tiempo de observación en telescopios relativamente pequeños (en este caso, de 1,2 metros de abertura). Se trata de una pieza magistral de investigación dentro de la denominada «astronomía en el dominio temporal», es decir, la que acumula grandes cantidades de luz, no de golpe mediante un gran colector, sino con instrumentos más pequeños, pero a lo largo de intervalos de tiempo muy prolongados.

David Galadí-Enríquez

Referencias: «The longest delay: A 14.5 yr campaign to determine the third time delay in the lensing cluster SDSS J1004+4112». José A. Muñoz et al. en The Astrophysical Journal, vol. 937, art. 34, 22 de septiembre de 2022; «A mass model for the lensing cluster SDSS J1004+4112: Constraints from the third time delay». Raquel Forés-Toribio, José A. Muñoz, Christopher S. Kochanek y Evencio Mediavilla en The Astrophysical Journal, vol. 937, art. 35, 22 de septiembre de 2022.

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