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La precisa masa de un pomposo cúmulo de galaxias

Imagina que te encuentras frente a un edificio enorme, digamos el ayuntamiento o la catedral de tu ciudad. No hay nadie ni nada más a tu alrededor, excepto tú y la estructura en un espacio gigantesco.

Ahora imagina que de repente, a la derecha del edificio ves un brazo que te saluda y del lado izquierdo ves a una persona llamando tu atención pero sin un brazo. Evidentemente el brazo muestra la excitación de la persona; ese es su brazo, pero están separados por la estructura.

La persona se mueve un poco e inclina la cabeza; ahora se ve una cabeza y un brazo de un lado y lo que resta del cuerpo del otro. Te frotas los ojos pensando que aquello es un sueño. Finalmente, la persona se mueve más, de manera que su cuerpo se ha dividido en dos mitades, de pies a cabeza, y cada parte la ves en los extremos del edificio. Poniendo un poco de atención, ambas partes están algo arqueadas, como pedazos de un círculo.

Sólo para salir de dudas, pedimos a un observador externo que tome una fotografía de aquel evento extraordinario; lo hace desde las alturas, de manera que tiene un panorama completo de la situación. Nos entrega la imagen y… ¡oh sorpresa! La persona que estabas viendo dividirse a los lados de la enorme construcción en realidad está detrás, muy a lo lejos de nosotros. ¿Cómo fue posible aquello? ¿Qué sucedió?

Lo que acabas de imaginar es el principio de algo llamado lente gravitacional, que ocurre muchísimas veces en el Universo pero con objetos cósmicos como estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. En un contexto astronómico real, el edificio anterior es sustituido por galaxias mucho muy masivas (ellas son “el lente”) y la persona que se dividía la reemplazas por un objeto lejano como una galaxias o un cuásar. Tú sigues siendo el observador.

Lo que sucede es que la gran, gran, gran masa de estos objetos deforma el espacio-tiempo, de manera que la luz proveniente de un cuerpo lejano, alineado más o menos en nuestra dirección, se curva. La luz —es decir, la imagen que vemos— de un cuerpo detrás de un cúmulo de galaxias se divide y amplifica, creando para nosotros un “ilusión óptica”. Puesto que las galaxias, los cuásares y los cúmulos de galaxias están mucho muy lejos, el tamaño y la distribución de la masa de esos objetos puede ser estimada con cierta facilidad, haciendo algunos cálculos geométricos. Por eso, es tan importante contar con una excelente imagen de un lente gravitacional.

Esquema de un lente gravitacional.

Esquema de un lente gravitacional.

Resulta que un grupo de astrónomos han observado un cúmulo de galaxias que produce lente gravitacional y han creado el mejor mapa de la masa en este tipo de objetos hasta la fecha. La imagen del masivo cúmulo galáctico (cuyo poético nombre es MCS J0416.1-2403 y a quien de ahora en adelante llamaremos cariñosamente MCS) fue tomada por el Telescopio Espacial Hubble y tiene una calidad de imagen sin precedentes gracias al tiempo de observación otorgado por el ambicioso proyecto Frontier Fields, que pretende investigar 6 diferentes cúmulos de galaxias, incluyendo MCS.

Observando la imagen, uno puede hacerse una idea de lo que sucede: la enorme masa del cúmulo de galaxias (varias de ellas en color amarillo) actúa como una “lente” y produce muchas imágenes de objetos ubicados exactamente detrás de él, pero a una enorme distancia. La luz de las galaxias lejanas se curva al llegar al espacio cercano del cúmulo, se divide y aparece para nosotros como pequeños arcos azules por todos lados.

El efecto fue predicho por Albert Einstein en 1911, dentro de su Teoría General de la Relatividad, pero comprobado hasta 1919 por Arthur Eddington, mientras fotografiaba un eclipse de Sol. Einstein teorizó que la masa del Sol sería suficiente para distorsionar el espacio-tiempo a su alrededor y desviar la luz de una estrella detrás. El eclipse solar del 29 de mayo de ese año fue el momento perfecto para comprobar esto. Y… efectivamente, durante la máxima oscuridad pudo detectarse fotográficamente una estrella que en realidad estaba detrás del Sol. Esta comprobación pasó a la historia como uno de los grande hitos de la ciencia moderna.

La incomparable imagen del Hubble muestra casi 200 imágenes producidas por el lente gravitacional. Esto ha permitido a los investigadores, encabezados por Mathilde Jauzac de la Universidad de Durham en Reino Unido, barrer zona por zona y calcular la cantidad de materia visible y materia oscura en el cúmulo de galaxias.

La intensidad del color azul representa la cantidad de masa contenida en el cúmulo  de galaxias MCS J0416.1-2403.

La intensidad del color azul representa la cantidad de masa contenida en el cúmulo de galaxias MCS J0416.1-2403.

Es la mejor distribución de masa realizada hasta la fecha en un cúmulo. El resultado del estudio, tomando en cuenta que MCS tiene un tamaño de 650,000 años luz —el tamaño de nuestra Vía Láctea es apenas 100,000 años luz—, muestra que la masa en el cúmulo es de 160 billones de veces la masa del Sol. Es la cifra mejor medida hasta ahora en este tipo de objetos. Por la precisión en la cantidad de masa en cada punto, los astrónomos fueron capaces de medir cómo y cuánto se curva el espacio-tiempo en cada zona, también con alta precisión.

MCS está tan lejos que la luz que ahora llega a la Tierra salió de las galaxias hace 4,200 millones de años, justo cuando el Sol y el sistema solar comenzaban a formarse.

Los investigadores se encuentran trabajando con más imágenes del Hubble para estudiar las partes externas de MCS, así como sus estructuras centrales. Además, usarán observaciones hechas con el Telescopio Espacial Chandra en rayos X para analizar el gas caliente y los elementos químicos que contiene. Una vez que tengan las velocidades de cada galaxia dentro del cúmulo, crearán un mapa en 3D que les permitirá entender mejor la historia y evolución del pomposo MCS J0416.1-2403.

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