Análogo óptico de laboratorio a una lente gravitacional

La teoría de la relatividad general predice el efecto de lente gravitacional, la curvatura de la luz en la proximidad de un objeto estelar masivo. C. Sheng (Univ. Nanjing, China) y sus colegas han usado una guía de ondas óptica microestructurada alrededor de una microesfera para imitar el espaciotiempo curvo causado por la gravedad y su efecto como lente gravitacional sobre la luz. La microesfera está incrustada en un polímero PMMA que actúa como guía de ondas plana y distorsiona el índice de refracción efectivo de la guía, imitando la curvatura del espaciotiempo. Un modelo de «juguete» (toy model) para estudiar en laboratorio las lentes gravitacionales descritas por la relatividad general. El artículo técnico es C. Sheng et al., «Trapping light by mimicking gravitational lensing,» Nature Photonics, AOP 29 Sep 2013. Recomiendo leer a Ulf Leonhardt, «Transformation optics: Gravitational lens on a chip,» Nature Photonics, AOP 20 Oct 2013.

Francis en ¡Eureka!: El telescopio espacial Kepler le da la razón a Einstein

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa de radio La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace si quieres disfrutar del audio. Como siempre, una transcripción libre del audio.

El telescopio espacial Kepler de la NASA, cuya misión es buscar planetas extrasolares, ha sido noticia esta semana por confirmar la teoría de Einstein, ¿qué es lo que ha logrado? El telescopio espacial Kepler de la NASA fue lanzado al espacio en marzo de 2009. Su misión es descubrir nuevos planetas extrasolares y en especial «exotierras», exoplanetas similares en tamaño a la Tierra y situados en la zona habitable de su estrella. Kepler observa de forma continua una región del cielo con 170 000 estrellas. Utiliza un espejo de 1,4 metros de diámetro y una cámara digital de 42 CCDs, con un total de 95 megapíxels. Muchas de las estrellas estudiadas son sistemas estelares binarios, formados por dos estrellas. Kepler ha sido noticia esta semana porque uno de sus candidatos a exoplaneta gigante gaseoso ha resultado ser una (micro)lente gravitacional. Un ejemplo de cómo la gravedad curva y magnifica la luz de una estrella como predice la teoría general de la relatividad de Einstein.

Noticia en inglés: «Gravity-bending find leads to Kepler meeting Einstein,» Phys.org, Apr 4, 2013. Artículo técnico: Philip S. Muirhead et al., «Characterizing the cool KOIs. V. KOI-256: A mutually eclipsing post-common envelope binary,» The Astrophysical Journal 767: 111, 2013.

Kepler ha descubierto un candidato a planeta que ha resultado ser un fenómeno mucho más interesante y especial. ¿Cómo ha ocurrido este descubrimiento? El telescopio espacial Kepler detecta exoplanetas con el método del tránsito: mide el brillo de una estrella de forma continua y si observa una disminución en el brillo con un patrón característico, se infiere la posible existencia de un planeta que ha pasado por delante de la estrella. Kepler sólo nos ofrece candidatos a planetas que han de ser confirmados de forma independiente por telescopios terrestres o por otros métodos de observación. La disminución de la luz de una enana roja fue interpretada como candidato a planeta gigante gaseoso. Las observaciones posteriores con el telescopio Hale en San Diego para confirmar si era o no un planeta, mostraron que lo que se estaba viendo en realidad no era un planeta alrededor de la enana roja, sino un sistema binario formado por una enana blanca (cuyo tamaño es similar a nuestra Tierra, aunque su masa es similar a la del Sol) y la enana roja (de mayor tamaño). La disminución del brillo observada en la enana roja se debía al paso de la pequeña enana blanca por delante de la enana roja. Este ejemplo no fue descartado como candidato a planeta porque la gravedad de la enana blanca actuaba como una lente que amplificaba la luz de la enana roja. Por ello, la disminución de la luz de la enana roja fue mucho más pequeña de lo esperado, al ser magnificada por la gravedad de la enana blanca. Lo bueno es que este falso positivo a dado lugar a un ejemplo casi perfecto de lo que predijo Albert Einstein, una microlente gravitacional.

La lente gravitacional MACS 1149+2223 permite observar la galaxia más joven y remota (MACS 1149-JD)

La gravedad de Einstein permite que un cúmulo galáctico actúe como un lente gravitacional capaz de amplificar la luz de galaxias muy débiles. La combinación de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, ambos de la NASA, ha permitido observar la galaxia más joven y lejana observada hasta el momento, llamada MACS 1149-JD, gracias a la lente gravitacional MACS 1149+2223. La luz de esta galaxia se emitió cuando el universo tenía solo unos 490 ± 15 millones de años tras la gran explosión (que ocurrió hace unos 13.700 millones de años), es decir, su corrimiento al rojo es z = 9,6 ± 0,2; también se han observado unas 100 galaxias cuya luz se emitió entre 650 y 850 millones de años tras la gran explosión.  El secreto de la nueva observación es la Cámara de Gran Campo (Wide Field Camera) instalada en 2009 en el Telescopio Espacial Hubble. Todas las nuevas galaxias observadas se encuentran en la época del universo llamada «edad oscura,» en la que se empezaron a formar las primeras galaxias y las primeras estrellas. ¿Cuándo se empezaron a formar las primeras estrellas en la nueva galaxia? Los autores del artículo técnico creen que se empezaron a formar cuando el universo tenía unos 200 millones de años (con una confianza estadística del 95%) tras la gran explosión, es decir, un corrimiento al rojo z < 14. El valor más probable para la masa estelar (de todas las estrellas) de esta galaxia es de unos 150 millones de veces la masa del Sol, aunque la dispersión en dicho valor es muy grande, como ilustra la figura de abajo (histograma en celeste). Nos lo cuenta Daniel Stark, «Astronomy: Searching for the cosmic dawn,» Nature 489: 370–371, 20 September 2012, que se hace del artículo técnico de Wei Zheng et al., «A magnified young galaxy from about 500 million years after the Big Bang,» Nature 489: 406–408, 20 September 2012.

Las lentes gravitatorias son claves para la observación de galaxias muy débiles, porque actúan sobre todo tipo de radiación electromagnética, no solo luz visible, sin aberración cromática (su efecto no depende de la longitud de onda de la luz). Por tanto, permiten observar galaxias lejanas en el óptico, infrarrojo, ultravioleta y cualquier otro rango espectral, lo que facilita el uso de técnicas de fotometría y espectroscopia astronómicas. Abajo aparece la lente gravitacional MACS 1149+2223.

PS: Por cierto, la nueva galaxia ya fue noticia antes del verano: «Detectada una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang.»

PS (20 sep. 2012): En Science también se han hecho eco de este descubrimiento, Yudhijit Bhattacharjee, «Warped Light Reveals Infant Galaxy on the Brink of the ‘Cosmic Dawn’,» Science 337: 1442, 21 September 2012.

PS (01 oct. 2012): En la sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero, hablé de este tema el 30 de septiembre. El audio lo puedes escuchar aquí.

Gracias a un anillo de Einstein se descubre una nueva galaxia enana que ratifica los modelos de formación galáctica

El proceso de formación de galaxias aún guarda secretos. Las simulaciones por ordenador que incluyen el efecto de la materia oscura fría predicen la formación de un gran número de pequeñas galaxias enanas (satélites de las galaxias más grandes), pero en nuestra galaxia, la Vía Láctea, y en otras galaxias del Grupo Local, se han observado muy pocas galaxias enanas (unas 50). Quizás hay muchas más pero son demasiado débiles, sin embargo, la distribución de masa de estas galaxias enanas no coincide con las predicciones teóricas. La astrónoma Simona Vegetti (MIT, EE.UU.) y varios colegas publican en Nature el descubrimiento de una nueva galaxia enana en el anillo de Einstein de lente gravitatoria (llamada B1938+666); esta pequeña galaxia tiene una masa de 190 ± 10 millones de masas solares, es extremadamente débil y se encuentra más allá del Grupo Local. Vegetti y su equipo han usado el telescopio Keck de 10 metros de Hawaii, que utiliza óptica adaptativa (para corregir los efectos de la atmósfera de la Tierra en las imágenes). Gracias a que la lente gravitatoria muestra varias imágenes de la misma galaxia se ha podido estimar la distribución de su masa; para sorpresa de los astrónomos corresponde a la predicha por los modelos de formación galáctica para las galaxias enanas. Por ello, Vegetti y sus colegas afirman que esta galaxia satélite (dominada por la materia oscura) confirma la teoría actual de formación de galaxias. Futuros estudios de otras lentes gravitatorias se espera que permitan observar muchas más galaxias enanas, incluidas nuevas satélites de la Vïa Láctea. Nos lo ha contado Robert W. Schmidt, «Galaxy formation: Distant dwarfs,» Nature 481: 271–273, 19 January 2012, que se hace eco del artículo técnico de S. Vegetti, D. J. Lagattuta, J. P. McKean, M. W. Auger, C. D. Fassnacht & L. V. E. Koopmans, «Gravitational detection of a low-mass dark satellite galaxy at cosmological distance,» Nature 481: 341–343, 19 January 2012.

Ver el pasado a través de una lente gravitatoria (o cómo ver varios momentos del pasado simultáneamente)

La materia oscura nos permite ver múltiples imágenes de un quásar que están separadas entre sí casi 6 años.

La visión de un quásar (que se cree que son los núcleos de galaxias en formación, formados por un agujero negro supermasivo, su disco de acreeción y la materia que rodea a éstos, gérmen de la futura galaxia) nos permite ver uno de los objetos más lejanos (y antiguos) del Universo. Si entre nosostros y el quásar se encuentra una gran distribución de materia (como un supercúmulo de galaxias que contiene una gran cantidad de masa oscura, bastante menos visible), el efecto de lente gravitatoria de ésta nos permite ver varias imágenes simultáneamente del mismo quásar (en la foto de arriba vemos 5 de ellas para el quásar J1004+4112). Pero el camino que siguen los rayos de luz en cada una de estas imágenes es diferente, luego la relatividad predice que la imagenes que vemos tendrán un cierto retraso entre sí. Para un objeto a miles de millones de años luz de distancia, si lo observamos suficiente tiempo, podemos detectar distancias o retrasos entre estas imágenes de días, meses, y ahora hasta años luz de distancia.

El quásar con el retraso entre imágenes por lente gravitatoria más largo conocido es el motivo de la noticia «Astrophysics: Quasar, delayed,»Nature 452, 668-669 (10 April 2008) resultado publicado en el artículo de J. Fohlmeister et al, «The Rewards of Patience: An 822 Day Time Delay in the Gravitational Lens SDSS J1004+4112,» Astrophys. J. 676, 761-766 (2008). Janine Fohlmeister y sus colegas han mostrado que la imagen más reciente muestra el quásar unos 5.7 años más tarde que la imagen más antigua, que entre dos de las imágenes (A y C) hay una diferencia de 822 días (2 años y 3 meses), y que entre otras dos (B y C) hay una diferencia de 41 días (1 mes y 10 días), bastante precisa para ser una distancia comparada con más de 9 mil millones de años.

Este tipo de cálculo de retrasos en imágenes en quásares permitirá mejorar nuestros modelos sobre la dinámica de estos objetos tan misteriosos. De todas formas, no dejar de ser sorprendente que estemos viendo simultáneamente la imagen de un objeto del pasado en varios momentos diferentes de su vida (separados varios años).