La imagen de mayor resolución jamás obtenida por ALMA revela el polvo que brilla dentro de la lejana galaxia SDP.81. La estructura del anillo fue creada por una lente gravitatoria que distorsionó la vista de la galaxia distante en una estructura similar a un anillo. Crédito:ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)
En 1919, los astrónomos Arthur Eddington y Andrew Crommelin capturaron imágenes fotográficas de un eclipse solar total. El sol estaba en la constelación de Tauro en ese momento, y en las fotografías se podía ver un puñado de sus estrellas. Pero las estrellas no estaban del todo en el lugar esperado. La tremenda gravedad del sol había desviado la luz de estas estrellas, haciéndolas parecer ligeramente fuera de lugar. Fue la primera demostración de que la gravedad podía cambiar la trayectoria de la luz, tal como lo predijo Albert Einstein en 1915.
La curvatura de la luz por la masa de una estrella o galaxia es una de las predicciones centrales de la relatividad general. Aunque Einstein predijo por primera vez la desviación de la luz de una sola estrella, otros, como Oliver Lodge, argumentaron que una gran masa podría actuar como una lente gravitacional, deformando el camino de la luz de forma similar a como una lente de vidrio enfoca la luz. En 1935, Einstein demostró cómo la luz de una galaxia distante podía ser distorsionada por una galaxia frente a ella para crear un anillo de luz. Tal Anillo de Einstein, como llegó a ser conocido, haría que la galaxia distante apareciera como un anillo o arco de luz alrededor de la galaxia más cercana. Pero Einstein pensó que este efecto nunca se observaría. Estos arcos de luz serían demasiado débiles para que los capturaran los telescopios ópticos. Einstein tenía razón hasta 1998 cuando el telescopio espacial Hubble capturó un anillo alrededor de la galaxia B1938+666. Este fue el primer anillo óptico que se observó, pero no fue el primer anillo de Einstein. El primer anillo se vio con luz de radio y fue capturado por el Very Large Array (VLA).
En 1987, un equipo de estudiantes del Laboratorio de Investigación en Electrónica del MIT dirigido por el Prof. Bernard Burke y dirigido por el Ph.D. estudiante Jackie Hewitt, usó el VLA para hacer imágenes detalladas de objetos emisores de radio conocidos. Uno de ellos, conocido como MG1131+0456, mostraba una forma ovalada distinta con dos lóbulos brillantes. Hewitt y su equipo consideraron varios modelos para explicar la forma inusual, pero solo un anillo de Einstein coincidió con los datos. La predicción galáctica de Einstein finalmente se cumplió.
La primera imagen de un anillo de Einstein. Fue capturado por el VLA en 1987. Crédito:NRAO/AUI/NSF
La radioastronomía es particularmente buena para capturar galaxias con lentes. Se han convertido en una poderosa herramienta para los radioastrónomos. Así como una lente de vidrio enfoca la luz para hacer que un objeto parezca más brillante y más grande, también lo hace una lente gravitacional. Al observar galaxias con lentes, los radioastrónomos pueden estudiar galaxias que estarían demasiado distantes y débiles para verlas por sí solas. Los anillos de Einstein se pueden usar para medir la masa de la galaxia más cercana o del cúmulo galáctico, ya que la cantidad de lentes gravitacionales depende de la masa de la galaxia en primer plano.
Uno de los aspectos más interesantes de las lentes gravitacionales es que se puede utilizar para medir la velocidad a la que se expande el universo. La luz de una galaxia distante puede tomar muchos caminos diferentes cuando pasa por la galaxia en primer plano. Cada uno de estos caminos puede tener diferentes distancias, lo que significa que la luz puede llegar a nosotros en diferentes momentos. Podríamos ver un estallido de luz de la galaxia varias veces, cada una desde un camino diferente. Los astrónomos pueden usar esto para calcular la distancia galáctica y, por lo tanto, la escala del cosmos.
Desde la primera detección de un anillo de Einstein por parte del VLA, los radioastrónomos han encontrado más de ellos y los han capturado con más detalle. En 2015, por ejemplo, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) tomó una imagen detallada de los arcos de lentes de una galaxia distante llamada SDP.81. La imagen fue lo suficientemente nítida como para que los astrónomos pudieran rastrear los arcos hasta su fuente para estudiar cómo se formaron las estrellas dentro de la galaxia.
Einstein rings are now commonly seen in astronomical images, particularly in deep field images, such as those of the James Webb Space Telescope and others. As radio astronomy has shown, they are more than just beautiful. They give us a new lens on the cosmos. Image:Hubble sees a 'molten ring'
