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ASTRONOMÍA. Lentes gravitacionales: uso de la deformación de la luz para medir la expansión del universo

 

La luz de la fuente llega a la tierra a través de múltiples caminos. Cuando la lente está descentrada, un camino es más corto. Las variaciones de la fuente llegarán en diferentes momentos, lo que permitirá medir la distancia. Fuente: Universidad de Leiden

Es uno de los grandes debates sobre cosmología: el universo se está expandiendo, pero ¿qué tan rápido exactamente? Dos mediciones disponibles arrojan resultados diferentes. El físico de Leiden, David Harvey, adaptó un tercer método de medición independiente, utilizando las propiedades de deformación de la luz de las galaxias predichas por Einstein. Publicó su trabajo en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Sabemos desde hace casi un siglo sobre la expansión del universo. Los astrónomos notaron que la luz de las galaxias lejanas tiene una longitud de onda más baja que la de las galaxias cercanas. Las ondas de luz parecen estiradas o desplazadas al rojo, lo que significa que esas galaxias distantes se están alejando.


Esta tasa de expansión, o constante de Hubble, se puede medir. Ciertas supernovas, o estrellas en explosión, tienen un brillo bien conocido, esto permite estimar su distancia a la Tierra y relacionar esa distancia con su desplazamiento al rojo o velocidad. Por cada megaparsec de distancia (un parsec son 3.3 años luz), la velocidad a la que las galaxias se alejan de nosotros aumenta en 73 kilómetros por segundo.

Sin embargo, las mediciones cada vez más precisas del fondo cósmico de microondas, un remanente de la luz en el universo temprano, arrojaron una constante de Hubble diferente: aproximadamente 67 kilómetros por segundo.

Teoría de Einstein

¿Como puede ser? ¿Por qué la diferencia? ¿Podría esta diferencia decirnos algo nuevo sobre el universo y la física? "Esto", dice el físico de Leiden, David Harvey, "es la razón por la que ha aparecido una tercera medida, independiente de las otras dos: lentes gravitacionales".

La teoría de la relatividad general de Albert Einstein predice que una concentración de masa, como una galaxia, puede desviar la trayectoria de la luz, de forma muy similar a como lo hace una lente. Cuando una galaxia de este tipo está frente a una fuente de luz brillante, la luz se dobla a su alrededor. Puede llegar a la tierra a través de diferentes rutas, lo que nos da dos, a veces incluso cuatro imágenes de la misma fuente.

(Arriba) La atracción gravitacional de una galaxia masiva (objeto central) desvía la luz de un cuásar distante en cuatro trayectorias, lo que da como resultado cuatro imágenes del mismo cuásar (A – D). Debido a que cada camino tiene una longitud ligeramente diferente, la luz tarda diferentes cantidades de tiempo en atravesar los caminos, por lo que las imágenes parecen parpadear ligeramente sin sincronizar entre sí. (Abajo) Un gráfico de la magnitud o el brillo de las cuatro imágenes de cuásar a lo largo del tiempo. Fuente: M. Millon y F. Courbin / Instituto Federal Suizo de Tecnología Lausana


Mediciones HoliCOW

En 1964, el astrofísico noruego Sjur Refsdal tuvo un momento de inspiración: cuando la galaxia lente está un poco descentrada, una ruta es más larga que la otra. Eso significa que la luz tarda más por ese camino. Entonces, cuando hay una variación en el brillo del quásar, esta señal será visible en una imagen antes que en la otra. La diferencia puede ser de días, incluso semanas o meses. 

Esta diferencia de tiempo, mostró Refsdal, también se puede usar para precisar distancias al quásar y la lente. La comparación de estos con el desplazamiento al rojo de los cuásares le da una medida independiente de la constante de Hubble.

Una colaboración de investigación de HoliCOW utilizó seis de estos lentes para reducir la constante de Hubble a aproximadamente 73. Sin embargo, existen complicaciones: además de la diferencia de distancia, la masa de la galaxia en primer plano también tiene un efecto de retraso, dependiendo de la masa exacta. distribución. "Hay que modelar esa distribución, pero quedan muchas incógnitas", dice Harvey. Incertidumbres como esta limitan la precisión de esta técnica.

Las mediciones sucesivas y un esfuerzo dedicado de los equipos H0LiCOW, COSMOGRAIL, STRIDES y SHARP, ahora bajo la organización conjunta TDCOSMO, culminaron en una medición constante de Hubble a alrededor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec con una precisión del 2%.


Si todo se alinea correctamente, la atracción gravitacional de una galaxia puede convertir la luz de un cuásar distante en cuatro imágenes separadas. Y si la luz que forma esas imágenes nos ha llegado a lo largo de caminos de longitudes ligeramente diferentes, los investigadores pueden medir los retrasos de tiempo entre los caminos e inferir distancias a la galaxia y el cuásar distante. (Ilustración: Martin Millon / Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana. Fuente: Imagen de galaxia y cuásar: Telescopio espacial Hubble / NASA


Imaginando todo el firmamento

Esto podría cambiar cuando un nuevo telescopio esté en línea en Chile en 2021, dedicado a tomar imágenes de todo el cielo cada pocas noches. Se espera que este Observatorio Vera Rubin vea miles de cuásares dobles, lo que ofrece la oportunidad de reducir aún más la constante de Hubble.

Modelar todas esas galaxias en primer plano individualmente es computacionalmente imposible. En cambio, Harvey diseñó un método para calcular el efecto promedio de una distribución completa de hasta mil lentes. En ese caso, las peculiaridades individuales de las lentes gravitacionales no son tan importantes y no es necesario hacer simulaciones para todas y cada una de las lentes. Con este nuevo enfoque, el error en los umbrales constantes de Hubble es de un 2 por ciento cuando abarcas unos miles de cuásares.

Este margen de error permitirá una comparación significativa entre las diversas constantes de Hubble y podría ayudar a comprender la discrepancia. Para reducir el error del 2 por ciento es preciso mejorar el modelo haciendo mejores simulaciones, algo que no parece ser imposible de alcanzar algún día.

Fuentes: 

“A 4 per cent measurement of H0 using the cumulative distribution of strong lensing time delays in doubly imaged quasars” by David Harvey, 20 August 2020, Monthly Notices of the Royal Astronomical SocietyDOI: 10.1093/mnras/staa2522

S. Birrer et al. TDCOSMO. IV. Hierarchical time-delay cosmography-joint inference of the Hubble constant and galaxy density profiles, Astronomy & Astrophysics (2020). DOI: 10.1051/0004-6361/202038861

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