Mirar el universo es como mirar en el espejo de una casa de la risa. Eso es porque la gravedad deforma el tejido del espacio, creando ilusiones ópticas.

Muchas de estas ilusiones ópticas aparecen cuando se amplía la luz de una galaxia distante, estirado, y se ilumina a medida que pasa a través de una galaxia masiva o un cúmulo de galaxias frente a él. Este fenómeno, llamado lente gravitacional, produce múltiples, estirado, e imágenes iluminadas de la galaxia de fondo.

Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias tan distantes que no pueden ser vistas por los efectos de las lentes gravitacionales. El desafío consiste en intentar reconstruir las galaxias distantes a partir de las formas extrañas producidas por lentes.

Pero los astrónomos que usaban el telescopio espacial Hubble tropezaron con una forma tan extraña al analizar los cuásares, los núcleos ardientes de las galaxias activas. Vieron dos brillantes objetos lineales que parecían ser imágenes especulares entre sí. Otro objeto extraño estaba cerca.

Las características desconcertaron tanto a los astrónomos que les llevó varios años desentrañar el misterio. Con la ayuda de dos expertos en lentes gravitacionales, los investigadores determinaron que los tres objetos eran imágenes distorsionadas de un lejano, galaxia desconocida. Pero la mayor sorpresa fue que los objetos lineales eran copias exactas entre sí, una ocurrencia rara causada por la alineación precisa de la galaxia de fondo y el cúmulo de lentes en primer plano.

Los astrónomos han visto algunas cosas bastante extrañas esparcidas por nuestro vasto universo, desde estrellas en explosión hasta galaxias en colisión. Entonces, pensarías que cuando ven un extraño objeto celeste, podrían identificarlo.

Pero el telescopio espacial Hubble de la NASA descubrió lo que parecen ser un par de objetos idénticos que parecen tan extraños que los astrónomos tardaron varios años en determinar cuáles son.

"Estábamos realmente perplejos, "dijo el astrónomo Timothy Hamilton de la Universidad Estatal Shawnee en Portsmouth, Ohio.

Los objetos extraños consisten en un par de protuberancias de galaxias (el eje central lleno de estrellas de una galaxia) y al menos tres rayas divididas casi paralelas. Hamilton los vio por accidente mientras usaba Hubble para inspeccionar una colección de cuásares, los núcleos ardientes de las galaxias activas.

Después de perseguir teorías sin salida, solicitar ayuda de colegas, y rascarte mucho la cabeza Hamilton y el equipo en crecimiento, dirigido por Richard Griffiths de la Universidad de Hawaii en Hilo, finalmente reunió todas las pistas para resolver el misterio.

Los objetos lineales eran las imágenes estiradas de una galaxia distante con lentes gravitacionales, ubicado a más de 11 mil millones de años luz de distancia. Y, parecían ser imágenes especulares el uno del otro.

El equipo descubrió que la inmensa gravedad de una intervención, y sin catalogar, cúmulo de galaxias en primer plano estaba deformando el espacio, aumentador, iluminando, y estirando la imagen de una galaxia distante detrás de ella, un fenómeno llamado lente gravitacional. Aunque las encuestas de Hubble revelan muchas de estas distorsiones de espejos de casas de diversión causadas por lentes gravitacionales, este objeto era singularmente desconcertante.

En este caso, una alineación precisa entre una galaxia de fondo y un cúmulo de galaxias en primer plano produce copias gemelas ampliadas de la misma imagen de la galaxia remota. Este raro fenómeno ocurre porque la galaxia de fondo se extiende a ambos lados de una ondulación en la estructura del espacio. Esta "ondulación" es un área de mayor aumento, causada por la gravedad de densas cantidades de materia oscura, el pegamento invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo. A medida que la luz de la galaxia lejana atraviesa el cúmulo a lo largo de esta onda, se producen dos imágenes especulares, junto con una tercera imagen que se puede ver a un lado.

Griffiths compara este efecto con los patrones ondulados brillantes que se ven en el fondo de una piscina. "Piense en la superficie ondulada de una piscina en un día soleado, mostrando patrones de luz brillante en el fondo de la piscina, ", explicó." Estos patrones brillantes en la parte inferior son causados ​​por un tipo de efecto similar al de las lentes gravitacionales. Las ondas en la superficie actúan como lentes parciales y enfocan la luz solar en patrones ondulados brillantes en la parte inferior ".

En la galaxia distante con lentes gravitacionales, la onda magnifica y distorsiona enormemente la luz de la galaxia de fondo que atraviesa el cúmulo. La ondulación actúa como un espejo curvo imperfecto que genera las copias duales.

Resolviendo el misterio

Pero este raro fenómeno no era muy conocido cuando Hamilton descubrió las extrañas características lineales en 2013.

Mientras miraba a través de las imágenes de cuásar, se destacó la instantánea de las imágenes reflejadas y las rayas paralelas. Hamilton nunca había visto algo así antes, y tampoco los otros miembros del equipo.

"Mi primer pensamiento fue que tal vez estaban interactuando galaxias con brazos extendidos por las mareas, "Dijo Hamilton." Realmente no encajaba bien, pero no sabía qué más pensar ".

Así que Hamilton y el equipo comenzaron su búsqueda para resolver el misterio de estas tentadoras líneas rectas, más tarde apodado el Objeto de Hamilton por su descubridor. Mostraron la extraña imagen a colegas en conferencias de astronomía, que provocó una variedad de respuestas, desde las cuerdas cósmicas hasta las nebulosas planetarias.

Pero luego Griffiths, que no era miembro del equipo original, ofreció la explicación más plausible cuando Hamilton le mostró la imagen en una reunión de la NASA en 2015. Era una imagen magnificada y distorsionada causada por un fenómeno de lente similar a los que se ven en las imágenes del Hubble de otros cúmulos masivos de galaxias que amplifican imágenes de galaxias muy distantes. . Griffiths confirmó esta idea cuando se enteró de un objeto lineal similar en uno de los estudios de cúmulos profundos del Hubble.

Los investigadores, sin embargo, todavía tenía un problema. No pudieron identificar el grupo de lentes. Normalmente, los astrónomos que estudian los cúmulos de galaxias primero ven el cúmulo en primer plano que está causando la lente, y luego encuentre las imágenes ampliadas de galaxias distantes dentro del cúmulo. Una búsqueda de las imágenes de Sloan Digital Sky Survey reveló que un cúmulo de galaxias residía en la misma área que las imágenes ampliadas. pero no apareció en ninguna encuesta catalogada. Sin embargo, el hecho de que las imágenes extrañas estuvieran en el centro de un cúmulo le dejó en claro a Griffiths que el cúmulo estaba produciendo las imágenes con lentes.

El siguiente paso de los investigadores fue determinar si las tres imágenes con lente estaban a la misma distancia, y por lo tanto eran todos los retratos distorsionados de la misma galaxia lejana. Las mediciones espectroscópicas con los observatorios Gemini y W. M. Keck en Hawai ayudaron a los investigadores a hacer esa confirmación, mostrando que las imágenes con lentes eran de una galaxia ubicada a más de 11 mil millones de años luz de distancia.

La galaxia remota basado en una reconstrucción de la tercera imagen con lente, parece ser un borde, espiral barrada con continuo, formación de estrellas grumosas.

Casi al mismo tiempo que las observaciones espectroscópicas de Griffiths y estudiantes universitarios en Hilo, un grupo separado de investigadores en Chicago identificó el grupo y midió su distancia utilizando datos de Sloan. El cúmulo reside a más de 7 mil millones de años luz de distancia.

Pero, con muy poca información sobre el clúster, El equipo de Griffiths todavía estaba luchando con la forma de interpretar estas inusuales formas de lentes. "Esta lente gravitacional es muy diferente de la mayoría de las lentes que fueron estudiadas antes por Hubble, particularmente en la encuesta Hubble Frontier Fields de clusters, "Griffiths explicó." No tienes que mirar esos grupos por mucho tiempo para encontrar muchos lentes. En este objeto, esta es la única lente que tenemos. Y ni siquiera sabíamos sobre el grupo al principio ".

Mapeando lo invisible

Fue entonces cuando Griffiths llamó a un experto en teoría de lentes gravitacionales, Jenny Wagner de la Universidad de Heidelberg en Alemania. Wagner había estudiado objetos similares, y con su colega Nicolas Tessore, ahora en la Universidad de Manchester en Inglaterra, desarrolló un software de computadora para interpretar lentes únicos como éste. Su software ayudó al equipo a descubrir cómo se formaron las tres imágenes con lentes. Llegaron a la conclusión de que la materia oscura alrededor de las imágenes estiradas tenía que distribuirse "suavemente" en el espacio a pequeñas escalas.

"Es genial que solo necesitemos dos imágenes en espejo para obtener la escala de cuán grumosa o no puede estar la materia oscura en estas posiciones, "Wagner dijo." Aquí, no utilizamos ningún modelo de lente. Simplemente tomamos los observables de las múltiples imágenes y el hecho de que pueden transformarse entre sí. Se pueden plegar entre sí mediante nuestro método. Esto ya nos da una idea de cuán suave debe ser la materia oscura en estas dos posiciones ".

Este resultado es importante, Griffiths dijo:porque los astrónomos aún no saben qué es la materia oscura, casi un siglo después de su descubrimiento. "Sabemos que es una forma de materia, pero no tenemos idea de qué es la partícula constituyente. Entonces no sabemos en absoluto cómo se comporta. Solo sabemos que tiene masa y está sujeto a la gravedad. La importancia de los límites de tamaño en la aglutinación o suavidad es que nos da algunas pistas sobre lo que podría ser la partícula. Cuanto más pequeños son los grupos de materia oscura, cuanto más masivas deben ser las partículas ".