Las astrónomos han utilizado un truco de la teoría general de la relatividad que permite doblar la luz y “ver detrás de una esquina” con el ALMA obteniendo así imágenes de un anillo de Einstein que revelan detalles extraordinarios y nunca antes vistos del universo lejano.

La campaña de observaciones base  de ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ha producido algunas observaciones sorprendentes, proporcionando información detallada sin precedentes sobre los habitantes del universo cercano y lejano. La campaña de observaciones, realizada a finales de 2014, tenía como objetivo una galaxia lejana conocida como SDP.81. La luz procedente de esta galaxia es víctima de un efecto cósmico conocido como lentes gravitacionales. Una gran galaxia que se encuentra entre SDP.81 y ALMA [1] actúa como una lupa, deformando la luz de la galaxia más distante y creando un ejemplo casi perfecto de un fenómeno conocido como un anillo de Einstein [2].

Al menos seis grupos de científicos [3] han analizado independientemente los datos del ALMA sobre SDP.81produciendo gran cantidad de información sobre la galaxia que revela detalles sobre su estructura, contenido, movimiento y otras características físicas.

Funcionamiento de ALMA y resultados

ALMA actúa como un interferómetro. En otras palabras, el conjunto de antenas trabaja perfectamente sincronizado, recogiendo la luz como si de un único y enorme telescopio virtual se tratara [4]. Como resultado, estas nuevas imágenes del SDP.81 tienen una resolución hasta 6 veces mayor [5] que las tomadas en el infrarrojo con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.

Los sofisticados modelos elaborados por los astrónomos revelan estructuras del interior de SDP.81 que nunca antes habían sido observadas. Con forma de nubes polvorientas, se cree que se trata de repositorios gigantes de gas molecular frío — los lugares en los que nacen estrellas y planetas. Estos modelos fueron capaces de corregir la distorsión producida por la ampliación de la lupa gravitacional.

Como resultado, las observaciones de ALMA son tan precisas que los investigadores pueden ver cúmulos de formación de estrellas dentro de la galaxia de hasta un tamaño de 100 años-luz, lo que equivaldría a observar, en el universo distante, versiones gigantes de la nebulosa de Orión produciendo miles de estrellas nuevas. Esta es la primera vez que este fenómeno se ha visto a una distancia tan enorme.

«La imagen de la galaxia, reconstruida a partir de datos de ALMA, es espectacular,» afirma Rob Ivison, coautor de dos de los artículos y Director de Ciencia de ESO. «La enorme superficie colectora de ALMA, la gran separación de sus antenas y la atmósfera estable sobre el desierto de Atacama nos permiten obtener imágenes y espectros con un nivel de detalle exquisito. Eso significa que obtenemos observaciones muy sensibles, así como información acerca de cómo avanzan las diferentes partes de la galaxia. Podemos ver cómo galaxias que se encuentran al otro extremo del universo se fusionan  y crean un gran número de estrellas«.

Usando la información espectral recopilada por ALMA, los astrónomos también han podido medir cómo gira la galaxia lejana y han estimado su masa. Los datos mostraron que el gas de esta galaxia es inestable: cúmulos de gas colapsan en el interior y, probablemente, se acabarán transformando en nuevas regiones gigantescas de formación estelar.

En particular, el modelado del efecto de lente también ha indicado la existencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia de primer plano que hace de lupa [6]. La parte central de SDP.81 es demasiado débil para ser detectada, lo cual lleva a la conclusión de que la galaxia en primer plano tiene un agujero negro supermasivo con más de 200–300 millones de veces la masa del Sol.

Gran potencial para nuevos descubrimientos

El número de artículos publicados usando tan sólo este conjunto de datos de ALMA demuestra el entusiasmo generado por el potencial de este conjunto de antenas de alta resolución y su gran capacidad colectora de luz. También muestra cómo ALMA permitirá a los astrónomos hacer más descubrimientos en los años venideros, respondiendo aún más preguntas sobre la naturaleza de las galaxias distantes.

Foto interior: Composición del anillo de Einstein de SDP.81 y de la galaxia observada a través de la lente gravitatoria a través de ALMA. La imagen producida es de una galaxia lejana vista a través de una lente gravitatoria que alcanza un nivel de detalle impresionante. La imagen muestra una vista ampliada de las regiones de formación estelar de la galaxia, de un tipo que nunca se había visto antes con este nivel de detalle en una galaxia tan remota. Las nuevas observaciones son mucho más detalladas que las realizadas con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA y revelan cúmulos de formación estelar en la galaxia equivalentes a versiones gigantes de la nebulosa de Orión.

Notas

[1] La galaxia que miramos a través de la lente gravitatoria se ve en un momento en el que el universo tenía tan sólo un 15% de su edad actual, unos 2.400 millones de años después del Big Bang. La luz ha tardado el doble de la edad de la Tierra en llegar hasta nosotros (11.400 millones de años), desviándose a través de una galaxia masiva que está en primer plano y que, comparativamente, está cerca de nosotros, a 4.000 millones de años luz.

[2] Las lentes gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein como parte de su teoría de la relatividad general. Su teoría nos dice que los objetos doblan el espacio y el tiempo. Cualquier luz que se acerque a este espacio-tiempo curvado seguirá las curvaturas creadas por el objeto. Esto permite que objetos especialmente masivos — enormes galaxias y cúmulos de galaxias — actúen como lupas cósmicas amplificadoras. Un anillo de Einstein es un tipo especial de lente gravitacional en el cual la Tierra, la galaxia que hace de lupa y la galaxia del fondo están perfectamente alineadas, creando una distorsión armónica en forma de anillo de luz. Este fenómeno se ilustra en el Vídeo A.

[3] Los equipos científicos se enumeran más abajo.

[4] La capacidad de ALMA para ver los detalles más finos se consigue cuando las antenas están en su configuración de mayor separación, de hasta 15 kilómetros de distancia. Para comparar, aquí pueden ver observaciones anteriores de lentes gravitacionales hechas con ALMA en una configuración más compacta, con una separación de sólo unos 500 metros.

[5] En estos datos pueden medirse detalles de hasta 0,023 segundos de arco, o 23 milisegundos de arco. El telescopio Hubble observó esta galaxia en el infrarrojo cercano con una resolución de unos 0,16 segundos de arco. Sin embargo, hay que señalar que cuando se observa en longitudes de onda más cortas, el telescopio Hubble puede alcanzar resoluciones más finas, de hasta 0,022 segundos de arco en el ultravioleta cercano. La resolución de ALMA puede ajustarse dependiendo del tipo de observaciones separando o acercando las antenas. Para estas observaciones, se utilizó la separación más amplia, dando como resultado la mejor resolución posible.

[6] La imagen de alta resolución de ALMA permite a los investigadores buscar la parte central de la galaxia de fondo, que se espera que aparezca en el centro del anillo de Einstein. Si la galaxia del primer plano (la que se interpone entre nosotros y la galaxia del fondo y que hace de lupa) tiene un agujero negro supermasivo en el centro, la imagen central se vuelve más débil. Esta levedad en la imagen indica cuán masivo es el agujero negro de la galaxia del primer plano.

Información adicional

Este trabajo de investigación se presenta en ocho artículos científicos que irán apareciendo en el futuro.

Fuente: ESO, Observatorio Europeo Austral