Una de las conclusiones más llamativas de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein es que la trayectoria de la luz se curva ante la presencia de materia. Este efecto se puede observar cuando la luz emitida desde una galaxia lejana pasa cerca de un objeto muy masivo, como otra galaxia, en su camino hacia el observador. El fenómeno se conoce como lente gravitacional, ya que es similar al efecto que producen las clásicas lentes de vidrio sobre los rayos de luz, y actúa como una lupa cambiando el tamaño, la forma y la intensidad de la imagen aparente del objeto lejano.

Según el grado de alineación de las dos fuentes, se pueden observar imágenes múltiples de la fuente lejana como, por ejemplo, anillos, arcos o bien cuatro imágenes separadas en forma de cruz (de ahí su nombre de “cruz de Einstein”). En general, es extremadamente difícil detectar una lente gravitatoria, ya que la separación entre las imágenes producidas por la lente suele ser muy pequeña, lo que requiere imágenes de alta resolución para poder verlas. Fue precisamente al analizar imágenes de alta resolución del Telescopio Espacial Hubble, que se pudo localizar una agrupación de objetos que parecía una cruz de Einstein.

Para demostrar que las cuatro imágenes pertenecen al mismo objeto, un equipo de científicos, liderado por Daniela Bettoni, astrofísica del Observatorio de Padova, y Riccardo Scarpa, investigador del Gran Telescopio Canarias (GTC/IAC) en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), decidió obtener con el GTC observaciones espectroscopias que permiten dispersar la luz de cada fuente en sus longitudes de onda (colores) y analizar en detalle sus características.

Un hallazgo excepcional

Según Scarpa, “el resultado no podía haber sido mejor. La atmosfera estaba muy transparente y con mínima turbulencia, lo cual nos permitió separar claramente la emisión de tres de las cuatro imágenes. El espectro nos dio inmediatamente la prueba que estábamos buscando; la misma línea de emisión, debida al hidrogeno, aparecía en los tres espectros exactamente a la misma longitud de onda. No había duda de que se trataba de la misma fuente de luz”.

Se había descubierto una nueva cruz de Einstein, bautizada como J2211-0305 por sus coordenadas en el cielo. Sin embargo, lo más excepcional del hallazgo es que el objeto que actúa de fuente es una galaxia muy joven. “Normalmente la fuente es un cuásar, es decir un núcleo activo de galaxia, por lo que fue una gran sorpresa descubrir que la fuente era otra galaxia con líneas de emisión muy intensas, lo cual indica que se trata de un objeto joven que está todavía formando grandes cantidades de estrellas”, explica Bettoni. La galaxia lente tiene forma elíptica y está localizada a una distancia de aproximadamente 7.000 millones de años luz (z=0.556), mientras que la fuente más lejana, reconvertida por la lente en una cruz, se encuentra a 20.000 millones de años luz (z=3.03). Es el segundo caso conocido con este tipo de fuente.

Nueva herramienta de estudio

Gracias a estas nuevas observaciones, publicadas en la revista The Astrophysical Journal Letters, los astrónomos tienen una herramienta más para investigar y comprender el Universo. Por ejemplo, observando las diferencias en el espectro de las distintas imágenes, es posible determinar las propiedades del medio que se encuentra entre nosotros y la fuente. Además, en el caso de una fuente de luminosidad variable, se puede obtener información sobre la forma del Universo a través del desfase producido cuando una imagen se ilumina antes que las otras.

Con esta técnica, también se puede determinar con precisión la masa de la galaxia lente y, como ocurre con una lupa que concentra hacia nosotros la luz de la fuente aumentando su brillo, permite ver objetos que normalmente serían inalcanzables. En este caso, se calcula que la fuente es 5 veces más brillante de lo que sería sin la magnificación producida por la lente.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Insfraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.

Artículo: Daniela Bettoni, Renato Falomo, Riccardo Scarpa, Mattia Negrello, Alessando Omizzolo, Romano L. M. Corradi, Daniel Reverte y Benedetta Vulcani. “A New Einstein Cross Gravitational Lens of a Lyman-break Galaxy”, The Astrophysical Journal Letters, Volume 873, Number 2. DOI:10.3847/2041-8213/ab0aeb

«Más información en ww.iac.es/prensa»

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Para crear la imagen más profunda del Universo desde el espacio, el equipo del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de la Laguna (ULL), dirigido por el investigador Alejandro S. Borlaff, utilizó las imágenes originales que el Telescopio Espacial Hubble había tomado en una región llamada Hubble Ultra Deep Field (HUDF) o Campo Ultra Profundo del Hubble. Tras mejorar el proceso de combinación de imágenes, el equipo recuperó una enorme cantidad de luz de estrellas que se había perdido alrededor de las galaxias más grandes del HUDF. La luz generada por todas estas estrellas “perdidas” equivaldría a haber recuperado una galaxia completa y, en algunos casos, significa que muchas galaxias tienen prácticamente el doble del tamaño que se pensaba.

El HUDF es fruto de la combinación de los cientos de imágenes tomadas con la Wide Field Camera 3 (WFC3) durante más de 230 horas que, en 2012, mostraron la imagen más profunda del Universo tomada hasta el momento. Entonces, el método de combinación de imágenes individuales no era el más adecuado para detectar objetos débiles y extensos. Por ello, Borlaff explica: “Lo que hemos hecho es volver al archivo de imágenes originales, tal cual las observó el Telescopio Espacial Hubble, y mejorar el proceso de combinación, tratando de preservar a la vez las galaxias lejanas y pequeñas; y las regiones extendidas de las galaxias más grandes”.

La cámara WFC3, con la que se tomaron los datos, fue instalada por astronautas en mayo de 2009, cuando el Hubble llevaba 19 años en el espacio. Esto ha supuesto un gran reto a los investigadores, porque el conjunto completo (cámara + telescopio) nunca había sido probado en tierra, lo que dificultaba su calibración. Para superarlo, analizaron varios miles de imágenes de distintas regiones del cielo, con el objetivo de mejorar la calibración del telescopio en órbita.

La que actualmente es la imagen más profunda del Universo “ha sido posible gracias a la increíble mejora de las técnicas de procesamiento de imágenes que ha habido en los últimos años, un tema en el que el grupo en el que estamos trabajando en el IAC es muy puntero”, concluye Borlaff.

Todos los datos serán públicamente accesibles para la comunidad científica a través de la web del proyecto del IAC: http://www.iac.es/proyecto/abyss/

Artículo: Alejandro Borlaff, Ignacio Trujillo, Javier Román, John E. Beckman, M. Carmen Eliche-Moral, Raúl Infante-Sáinz, Alejandro Lumbreras, Rodrigo Takuro Sato Martín de Almagro, Carlos Gómez-Guijarro, María Cebrián, Antonio Dorta, Nicolás Cardiel, Mohammad Akhlaghi, Cristina Martínez-Lombilla. “The missing light of the Hubble Ultra Deep Field”, Astronomy & Astrophysics. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/201834312

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Si pudiésemos recorrer más de la mitad del Universo, encontraríamos una enorme estrella azul bautizada como Ícaro que, tras su descubrimiento, se ha convertido en la estrella más lejana observada hasta la fecha. Normalmente sería imposible advertirla, incluso utilizando los telescopios más potentes hasta el momento, pero un capricho de la Naturaleza ha amplificado su brillo, de manera que ha podido detectarse utilizando el Telescopio Espacial Hubble. Su descubrimiento también ha servido para probar una nueva teoría sobre la materia oscura y para estudiar de qué están compuestos los cúmulos de galaxias. Los resultados de este trabajo se publican hoy en la revista Nature Astronomy.

Ícaro se encuentra en una galaxia espiral tan lejos de la Tierra que su luz ha tardado 9.000 millones de años en alcanzarnos. “Es la primera vez que vemos una estrella individual magnificada tan lejana”, explica Patrick Kelly, investigador de la Universidad de Minnesota y líder de este estudio. Y añade: “Somos capaces de ver galaxias muy lejanas, pero esta estrella está 100 veces más lejos que la siguiente estrella individual que podemos estudiar, excepto si contamos las explosiones de supernova como una estrella”.

La peculiaridad cósmica que ha permitido ver esta estrella es un fenómeno conocido como “lente gravitacional”. La gravedad de un cúmulo muy masivo de galaxias actúa como una gran lupa cósmica amplificando la luz de objetos más distantes. La lente natural que ha permitido ver a Ícaro está creada por el cúmulo de galaxias llamado MACS J1149+2223, situado a unos 5.000 millones de años luz de la Tierra. Combinándola con la resolución y sensibilidad del Hubble se ha conseguido analizar esa estrella lejana.

El equipo de investigadores que ha colaborado en este trabajo incluye, entre otros investigadores, a José M. Diego, del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Steven Rodney, de la Universidad de Carolina del Sur, Columbia (EEUU), Pablo G. Pérez González, de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), Tom Broadhurst, de la Universidad del País Vasco (UPV), e Ismael Pérez Fournon, del IAC y de la Universidad de La Laguna (ULL). Patrick Kelly y sus colaboradores vieron varios cambios repentinos del brillo de la estrella producidos por el efecto del microlente causado por el efecto gravitatorio de estrellas pertenecientes al cúmulo.

Aunque su nombre oficial es “MACS J1149+2223 Estrella Lentificada 1”, el equipo ha decidido llamarla como el personaje de la mitología griega que se acercó demasiado al Sol con sus alas de plumas y cera. Al igual que Ícaro, la luz de esta estrella, en su camino hacia la Tierra, se ha aproximado tanto a una estrella similar al Sol, en el medio intergaláctico del cúmulo MACSJ 1149+2223, que ha conseguido amplificar su brillo unas 2.000 veces, alcanzando de esta manera la gloria como su homónimo griego. “Pudimos establecer que Ícaro es una estrella supergigante azul. Un tipo de estrella mucho más grande, masiva, caliente y, posiblemente, miles de veces más brillante que el Sol, pero que, a la distancia a la que se encuentra, es imposible observarla de manera individual incluso para Hubble, salvo que contemos con el fenómeno de lente gravitacional”, comenta Ismael Pérez Fournon.

Pablo Pérez González, investigador de la UCM, explica que “hasta 2016 solo era posible observar estrellas individuales en las galaxias de al lado de la Vía Láctea. Hoy ya es posible observar  una estrella individual, muy parecida a Rigel, que está en el otro lado del Universo, y que de hecho ya no existe.”

La detección de Ícaro con el Hubble fue tan extraordinaria que, cuando fue descubierta, todos los telescopios del mundo empezaron a observarla. En España se solicitó tiempo extraordinario con el Gran Telescopio Canarias (GTC), el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo que, por otro lado, fue “el único telescopio que detectó esta estrella tan lejana desde Tierra, dado que Ícaro es muy débil”, puntualiza Pérez González.

El descubrimiento de Ícaro no es excepcional solo por el hecho de ver una estrella tan distante. Detectar la amplificación del brillo de una estrella individual permite estudiar la naturaleza de la materia oscura del cúmulo, poniendo a prueba una teoría sobre la naturaleza de la materia oscura que establece que la mayor parte de ella son los agujeros negros primordiales. Según José M. Diego, investigador del IFCA, y líder del artículo teórico que acompaña a la publicación de Nature Astronomy, “si la materia oscura estuviese compuesta por agujeros negros similares a los que está detectando LIGO (Observatorio de ondas gravitatorias por interferometría láser), la señal observada de Ícaro hubiera sido muy distinta, con lo cual podemos descartar este tipo de candidatos”. Por su parte, Tom Broadhurst, investigador de la UPV, señala también que “este tipo de estudios permitirá en el futuro acotar otros modelos de materia oscura, como por ejemplo los modelos que postulan partículas de materia oscura súperligeras y con efectos cuánticos”.

Además, en mayo de 2016, al lado de Ícaro apareció otra imagen nueva que parece indicar que no se trata de una única estrella, sino que estaríamos hablando de un sistema binario, con dos estrellas orbitando una alrededor de la otra.

Artículo: Patrick Kelly, et al. Extreme magnification of an individual star at redshift 1.5 by a galaxy-cluster lens. Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-018-0430-3

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Se calcula que solo una de cada mil galaxias masivas es una reliquia del Universo primitivo y conserva intactas las propiedades que tenía cuando se formó hace miles de millones años. Por eso, cuando los investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y la Universidad de La Laguna (ULL) Michael Beasley e Ignacio Trujillo localizaron esta rara avis, solicitaron tiempo de observación con el Telescopio Espacial Hubble para observar los cúmulos globulares que la rodeaban y así confirmar lo que ya proponían los datos que habían logrado con telescopios terrestres.

Los cúmulos globulares son agrupaciones de estrellas que flotan alrededor de las galaxias y se formaron junto a éstas durante su nacimiento. Existen dos tipos de poblaciones de cúmulos globulares: los rojos, que nacen con las galaxias masivas, se encuentran cerca de su centro y tienen un alto contenido de elementos más pesados que el Helio; y los azules con menor porcentaje metálico y que se encuentran alrededor de las galaxias masivas como consecuencia de haber absorbido otras galaxias más pequeñas.

Analizar esos cúmulos facilita información sobre la historia de las galaxias. Los resultados de la investigación que publica Nature han mostrado que la galaxia NGC 1277 solo posee los cúmulos globulares rojos que se formaron con ella en su nacimiento. Desde entonces, se ha mantenido inalterada.  “Los cúmulos globulares son piezas muy sensibles de la historia de formación de las galaxias”,  explica Michael Beasley, primer autor del artículo, quien también aclara que “es la primera vez que se observa una galaxia tan masiva con tan pocos cúmulos azules”.

La galaxia NGC 1277 está compuesta por un millón de millones de estrellas y recibe su nombre del Nuevo Catálogo General de Nebulosas y Cúmulos de Estrellas. Se encuentra en el área central del Cúmulo de Perseo, la mayor concentración de galaxias próxima a la Vía Láctea y su cercanía, a 70 megaparsec (225 millones de años luz), la convierte en el objeto ideal para analizar desde cerca una galaxia que ha permanecido intacta desde las edades más tempranas del Universo. “La galaxia, NGC 1277, nos ofrece una oportunidad única para estudiar una galaxia “primitiva” en el Universo Local”, añade Ignacio Trujillo, otro de los autores del artículo.

Cuando esta galaxia nació, creaba 1.000 estrellas al año, mientras que, por sus características, la Vía Láctea forma, en la actualidad, solo una estrella al año.

El motivo por el que los investigadores piensan que esta galaxia masiva ha mantenido su forma original y su composición intacta durante todo este tiempo es porque se formó como satélite de la galaxia central del cúmulo de Perseo, la cual absorbió cualquier material que podría haber caído sobre NGC 1277 y provocado que hubiese evolucionado de otra manera. Sin embargo, ahora orbita alrededor de esta a una velocidad de 1.000 kilómetros por segundo.

Los autores plantean pedir más tiempo del Telescopio Espacial Hubble, y en su sucesor, el Telescopio Espacial James Webb, para observar los sistemas de cúmulos globulares de más galaxias reliquias.

Artículo: BEASLEY, Michael A. et al. “A single population of red globular clusters around the massive compact galaxy NGC 1277”, Nature. DOI: 10.1038/nature25756

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