D. Lagattuta / W. M. Keck Observatory

Las galaxias como la Vía Láctea se cree que formaron durante miles de millones de años a través de la fusión de muchas galaxias más pequeñas. Como resultado, se espera que haya muchas pequeñas galaxias enanas esparcidos alrededor de la Vía Láctea. Sin embargo, muy pocas de estas diminutas galaxias reliquia han sido observadas, lo que ha llevado a los astrónomos a la conclusión que muchas de ellas deben tener muy pocas estrellas y pueden estar hechas  casi exclusivamente de materia oscura.

En un descubrimiento anunciado el 18 de enero de 2012, un equipo de investigadores que incluye un post-doctorado del Instituto Tecnológico de Massachussets, MIT, ha encontrado una galaxia enana oscura a alrededor de 10 mil millones de años luz de la Tierra. Es sólo la segunda de tales galaxias hasta ahora observadas fuera de nuestro Universo local, y es por mucho la más lejana.

La galaxia enana es un satélite, lo que significa que se aferra al borde de una galaxia más grande. ”Por varias razones, no logró formar muchas estrellas o ninguna y, por lo tanto, se quedó oscura”, dice Simona Vegetti, becaria Pappalardo del Departamento de Física del MIT y autora principal de un artículo científico sobre el trabajo que aparece en la edición en línea del 18  de enero de 2012  de la revista Nature.

Los científicos teorizan la existencia de materia oscura para explicar las observaciones que sugieren que hay mucha más masa en el Universo de la que se puede ver. Ellos creen que la materia oscura debe comprender un 25 por ciento de la masa del Universo, sin embargo, como las partículas que componen la materia oscura no absorben ni emiten luz, hasta ahora han demostrado que es imposible detectarlas e identificarlas.

Los modelos computarizados sugieren que la Vía Láctea debe tener alrededor de 10.000 galaxias satélite, pero sólo 30 han sido observadas. ”Podría ser que muchas de las galaxias satélite estén hechas de materia oscura, por lo que resultan esquivas para detectarlas, o puede haber un problema con la manera en que pensamos se forman las galaxias”, dice Vegetti.

En el nuevo estudio, Vegetti trabajó con su ex supervisor de doctorado, el profesor Leon Koopmans, de la Universidad de Groningen, Holanda, David Lagattuta y el profesor Christopher Fassnacht, de la Universidad de California en Davis; Mateo Auger, de la Universidad de California en Santa Bárbara y John McKean, del Instituto de Radioastronomía de Holanda.

El equipo se abocó a las galaxias más distantes en busca de satélites oscuros, utilizando un método llamado lente gravitacional. Para utilizar esta técnica, los investigadores encuentran dos galaxias alineadas unas con otras, vistas desde la Tierra. La galaxia más distante emite rayos de luz que son desviados por la galaxia más cercana (que actúa como una lente). Al analizar los patrones de rayos de luz desviada por la galaxia lente de primer plano, los investigadores pueden determinar si hay galaxias satélites agrupadas en torno a ella y medir cuán masivas son.

Los investigadores utilizaron el telescopio Keck, en Hawai, para hacer sus observaciones, tomando ventaja de una pieza especial de equipo óptico que ofrece las imágenes más nítidas del cielo. Ellos planean usar el mismo método para buscar más galaxias satélites en otras regiones del Universo, las cuales consideran que pueden ayudar a corroborar o a desafiar las predicciones de cómo se comporta la materia oscura.

“Ahora tenemos un satélite oscuro, pero supongamos que no encontramos suficientes de ellos, entonces, vamos a tener que cambiar las propiedades de la materia oscura”, dice Vegetti. ”O bien, podemos encontrar tantos satélites como vemos en las simulaciones y que nos diga que la materia oscura tiene las propiedades que pensamos que tiene”.

Por ejemplo, ya que la temperatura determina la masa y el número de satélites que se forman, puede ser necesario ajustar las estimaciones de la temperatura actual de la materia oscura si el número de satélites oscuros que se encuentra es menor al proyectado.

Más información en:

http://web.mit.edu/ & http://keckobservatory.org/

SDSS

Dos equipos de físicos del Fermilab, del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), han realizado de forma independiente las mayores medidas directas del andamiaje invisible del Universo, construyendo mapas de materia oscura usando nuevos métodos que, a su vez, eliminarán obstáculos clave para la comprensión de la energía oscura con telescopios localizados en la superficie terrestre.

Las medidas de los equipos buscan distorsiones diminutas en las imágenes de galaxias distantes, llamadas distorsiones ” tensiones cósmicas”  (cosmic shear), provocadas por la influencia gravitatoria de estructuras en primer plano masivas e invisibles de materia oscura. Cartografiar con precisión estas estructuras de materia oscura y su evolución a lo largo del tiempo es, probablemente, la herramienta más sensible, de las pocas disponibles, para los físicos en su actual esfuerzo por comprender los misteriosos efectos de estiramiento del espacio por parte de la energía oscura.

Ambos equipos dependían de las extensas bases de datos de imágenes cósmicas recopiladas por el relevamiento digital del cielo Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que se compilaron en gran parte con la ayuda de Berkeley Lab y Fermilab.

“Estos resultados nos animan a futuros relevamientos del cielo a gran escala. Las imágenes generadas llevaron a un cuadro en el que se ven muchas más galaxias en el Universo, incluso aquellas seis veces más tenues o más lejanas en el tiempo, de lo que puede verse en imágenes individuales”, dice Huan Lin, físico de Fermilab y miembro del SDSS y del relevamiento Dark Energy Survey (DES).

Melanie Simet, miembro de la colaboración SDSS de la Universidad de Chicago, esbozó las nuevas técnicas para mejorar los mapas de tensiones cósmicas y explicó cómo estas técnicas pueden extender el alcance de los experimentos internacionales de relevamiento del cielo durante una presentación en la Sociedad Astronómica Americana (AAS) en Austin, Texas. En su presentación demostró una forma única de analizar la distorsión de las galaxias por parte de la materia oscura para lograr una mejor descripción del pasado del Universo.

Eric Huff, miembro del SDSS del Berkeley Lab y de la Universidad de California en Berkeley, presentó un póster describiendo la medida completa de la tensión cósmica, incluyendo nuevas restricciones sobre la energía oscura, el 12 de enero de 2012, en la conferencia de la AAS.

Varios grandes relevamientos astronómicos, tales como el Dark Energy Survey, el Large Synoptic Survey Telescope, y el estudio HyperSuprimeCam, tratarán de medir la tensión cósmica en los próximos años. Las distorsiones por lentes débiles son tan sutiles, no obstante, que el mismo efecto atmosférico que provoca el parpadeo de las estrellas durante la noche supone un formidable desafío para las medidas de la tensión cósmica. Hasta ahora, ninguna medida de la tensión cósmica realizada desde la Tierra ha sido capaz de separar completa y fehacientemente los efectos de lentes débiles de las distorsiones atmosféricas.

“La comunidad ha estado trabajando desde hace unos años en las medidas de la tensión cósmica”, dice Huff, astrónomo en Berkeley Lab, “pero también ha habido cierto escepticismo sobre si puede hacerse con la suficiente precisión para restringir a la energía oscura. Demostrar que podemos lograr la precisión requerida con estos innovadores estudios es importante para la próxima generación de grandes relevamientos”.

Para construir mapas de materia oscura, los equipos de Berkeley Lab y Fermilab usaron imágenes de galaxias realizadas entre 2000 y 2009 por los estudios SDSS I y II, usando el Telescopio Sloan en el Observatorio Apache Point, en New Mexico. Las galaxias están dentro de una faja continua del cielo conocida como SDSS Strip 82, localizada a lo largo del ecuador celeste y que abarca 275 grados cuadrados. Las imágenes de las galaxias quedaron capturadas en múltiples pasadas a lo largo de muchos años.

Los dos equipos superpusieron imágenes de un área dada, tomadas en diferentes momentos, en un proceso llamado coadición, para eliminar los errores provocados por los efectos atmosféricos y para mejorar las señales muy tenues que proceden de partes lejanas del Universo. Los equipos usaron distintas técnicas para modelar y controlar las variaciones atmosféricas y medir la señal aumentada por la lente, y realizaron una exhaustiva serie de pruebas para demostrar que estos modelos funcionan.

La gravedad tiende a agrupar material en concentraciones densas, pero la energía oscura actúa como fuerza repulsiva que frena el colapso. De esta forma, la aglomeración de materia oscura en los mapas proporciona una medida de la cantidad de energía oscura del Universo.

Cuando compararon sus resultados finales antes de la reunión de la AAS, ambos equipos encontraron menos estructura de la esperada a partir de otras medidas, tales como la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), pero según Huff, “los resultados no son suficientemente diferentes de experimentos anteriores como para hacer sonar las sirenas de alarma”.

Mientras tanto, dice Lin, “nuestros procesos de corrección de imágenes deberían proporcionar una herramienta valiosa para la próxima generación de relevamientos de lentes débiles”.

Más información en:

http://newscenter.lbl.gov

NASA, ESA, Eric Jullo/JPL, Priyamvada Natarajan/Yale, Jean-Paul Kneib/Université de Provence

Un equipo de astrónomos ha utilizado un cúmulo de galaxias masivo como una lente cósmica de aumento para estudiar la naturaleza de la energía oscura, por primera vez. Cuando se combina con las técnicas existentes, sus resultados mejoran significativamente las mediciones actuales del contenido de masa y energía del Universo. Los resultados aparecen en la edición del 20 de agosto de 2010 de la revista Science.

Los astrónomos emplean una cantidad de métodos para estudiar la geometría del Universo, la cual nos dice algo sobre la naturaleza de la energía oscura – una fuerza misteriosa, descubierta en 1998, que acelera la expansión del Universo, pero de la cual se conoce poco más que eso. Descubrir la naturaleza de la energía oscura, que constituye alrededor del 72 por ciento de toda la masa y la energía del Universo y que, en última instancia, determinará su destino, es uno de los santos griales de la cosmología moderna.

Ahora, un equipo internacional que incluye a Natarajan Priyamvada, cosmólogo de la Universidad de Yale,  ha utilizado lentes gravitacionales para aprender más sobre esta esquiva fuerza. A partir de datos tomados por el telescopio espacial Hubble, así como telescopios terrestres, el equipo analizó las imágenes de 34 galaxias extremadamente distantes, situadas detrás de Abell 1689, uno de los cúmulos de galaxias más grandes y más masivos conocidos en el Universo.

A través de la lente gravitacional de Abell 1689, los astrónomos fueron capaces de detectar galaxias de fondo, débiles y distantes – cuya luz estaba doblada y proyectada por la masiva fuerza de gravedad del cúmulo – de manera similar que la lente de una lupa distorsiona la imagen de un objeto.

La forma en que las imágenes fueron distorsionadas dio las pistas astrónomos en cuanto a la geometría del espacio que se sitúa entre la Tierra, el cúmulo y las galaxias distantes. “El contenido, la geometría y el destino del Universo están vinculados, por lo tanto, si se pueden restringir dos de esas cosas, se podrá aprender algo acerca de la tercera”, dijo Natarajan.

Usando modelos teóricos de la distribución tanto de la materia ordinaria como de la oscura en el espacio, Natarajan y el equipo fueron capaces de reducir el rango de las estimaciones actuales sobre los efectos de la energía oscura en el Universo, representado por el valor w, en un 30 por ciento. El equipo combinó su nueva técnica con otros métodos, incluyendo el uso de las supernovas, cúmulos de galaxias en rayos X y los datos del experimento Wilkinson de anisotropía en microondas (la nave espacial WMAP) para limitar el valor de w.

El resultado confirma los hallazgos previos referidos a que la naturaleza de la energía oscura probablemente corresponde a un Universo plano. En este escenario, la expansión del Universo continuará acelerándose, y el Universo se expandirá para siempre.

Son coautores del artículo científico Eric Jullo (Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto Tecnológico de California y  Universidad de Provence); Jean-Paul Kneib y Carlo Schimd (Universidad de Provence); Anson D’Aloisio (Universidad de Yale); Marceau Limousin (Universidad de Provence y Universidad de Copenhagen);  y Johan Richard (Universidad de Durham).

Más información en:

http://opa.yale.edu/

Courbin, Meylan, Djorgovski, et al., EPFL/ Caltech/ WMKO

Los astrónomos del Instituto  Tecnológico de California (Caltech) y de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han descubierto el primer caso conocido de una galaxia distante magnificada por un cuásar que actúa como lente gravitacional. El descubrimiento, basado en parte en observaciones realizadas en el Observatorio WM Keck, en Mauna Kea, está siendo publicado el 16 de julio de 2010, en la revista Astronomy & Astrophysics.

Los cuásares, que son objetos luminosos extraordinarios del Universo distante, se cree que son alimentados por agujeros negros en los núcleos de las galaxias. Un cuásar único podría ser mil veces más brillante que una galaxia entera de cien mil millones de estrellas, lo que hace que los estudios de sus galaxias anfitrionas sean extremadamente difíciles. La importancia del descubrimiento, dicen los investigadores, es que proporciona una nueva manera de entender estas galaxias anfitrionas.

“Es un poco como fijar la mirada en los faros de los coches brillantes y tratar de discernir el color de sus bordes”, dice Frédéric Courbin, de la EPFL, autor principal del artículo. Usando lentes gravitacionales, dice, “ahora podemos medir las masas de las galaxias anfitrionas de estos cuásares y superar esta dificultad”.

Según la teoría general de la relatividad de Einstein, si una masa grande (como una galaxia grande o un cúmulo de galaxias) se coloca a lo largo de la línea de visión de una galaxia distante, la parte de la luz que proviene de la galaxia será dividida. Debido a esto, un observador en la Tierra verá dos o más imágenes próximas de la galaxia de fondo, ahora magnificada.

La primera lente gravitacional se descubrió en 1979, y produjo una imagen de un cuásar distante que estaba aumentada y dividida por una galaxia de primer plano. Cientos de casos de cuásares con lentes gravitacionales son ahora conocidos. Pero, hasta el trabajo actual, el proceso inverso - una galaxia de fondo siendo aumentada por la galaxia masiva de un cuásar en primer plano-no había sido detectada.

El uso de lentes gravitacionales para medir las masas de las galaxias distantes con independencia de su brillo fue sugerido, en 1936, por el astrofísico Fritz Zwicky, de Caltech, y la técnica se ha utilizado eficazmente para este fin en los últimos años. Hasta ahora, nunca había sido aplicado para medir las masas de las anfitrionas de los cuásares en sí mismas.

Para encontrar la lente cósmica, los astrónomos buscaron en una gran base de datos de espectros de cuásares obtenidos por el Relevamiento Digital del Cielo Sloan, SDSS, para seleccionar los candidatos para “revertir” la lente gravitatoria cuásar-galaxia. Las observaciones de seguimiento del mejor candidato,  SDSS J0013+1523, que se encuentra a alrededor de 1.600 millones de años luz de distancia, utilizando el telescopio del Observatorio WM Keck de 10 metros, confirmó que el cuásar está efectivamente  aumentando una galaxia distante, que se encuentra a alrededor de 7.500 millones de años luz de distancia.

“Estamos encantados de ver que esta idea realmente funciona”, dice Georges Meylan, profesor de física y líder del equipo de la EPFL. “Este descubrimiento demuestra la utilidad continua de la  lente gravitatoria como una herramienta astrofísica”.

“Los cuásares son las sondas valiosas de la formación de galaxias y su evolución”, dice el profesor de astronomía George S. Djorgovski, líder del equipo de Caltech. Además, añade, “el descubrimiento de más de  estos sistemas nos ayudará a entender mejor la relación entre los cuásares y las galaxias que los contienen, y su coevolución”.

Otros coautores del artículo en Astronomy & Astrophysics, intitulado “First case of strong gravitational lensing by a QSO: SDSS J0013+1523 at z = 0.120″, son Malte Tewes y François Rerat del EPFL, Ashish Mahabal de Caltech, y Dominique Sluse de la Instituto de Investigación Astronómica en Heidelberg, Alemania. El trabajo realizado en Caltech fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Ajax.

Más información en:

http://media.caltech.edu/

SDSS

Un equipo internacional de científicos, liderados por el Profesor Distinguido de la Universidad Estatal de Pensilvania Donald Schneider, ha anunciado la finalización de un censo masivo en el que han identificado los cuásares de un cuarto del cielo. El trabajo del equipo es parte del Relevamiento Digital del Cielo Sloan (SDSS), un esfuerzo de investigación y descubrimiento de casi una década de duración usando un telescopio de 2,5 metros, situado en el Observatorio Apache Point, en Nuevo México, Estados Unidos. El catálogo completo de cuásares, que se publicará en la edición de junio de 2010 de la revista Astronomical Journal, incluye 105.783 cuásares, más del 96 por ciento de los cuales fueron descubiertos por el SDSS.

“Los cuásares son cientos de veces más luminosos que toda nuestra galaxia, aunque generan esta tremenda energía en regiones similares, en escala, a la del Sistema Solar”, dice Schneider. “La mejor explicación de este extraordinario fenómeno es que estamos siendo testigos de la energía luminosa emitida por el material que cae a los agujeros negros con masas de cientos de millones de veces, o incluso miles de millones de veces, la del Sol”.

James Gunn, Profesor de la cátedra Eugene Higgins de astronomía en la Universidad de Princeton, ha trabajado desde el inicio del proyecto SDSS como científico del proyecto. El SDSS ha obtenido imágenes del cielo e información espectroscópica detallada de aproximadamente un millón de objetos. “Nuestro objetivo original era determinar las distancias a un millón de galaxias y 100.000 cuásares”, dice Gunn. “Esto se vio como un objetivo extremadamente ambicioso dado que en la época en la que estábamos diseñando el estudio, se habían identificado menos de 6000 cuásares. Estamos encantados de haber sido capaces de superar nuestros objetivos tanto en galaxias como en cuásares”. El Presidente Obama galardonó a Gunn con la Medalla Nacional de las Ciencias, en octubre de 2009, en reconocimiento a su liderazgo del SDSS.

Varios científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania realizaron contribuciones clave al esfuerzo de SDSS con los cuásares. El diseño del método usado para seleccionar los cuásares fue liderado por el becario posdoctoral de la Universidad Estatal de Pensilvania Gordon Richards (ahora profesor asociado en la Universidad de Drexel). “Este conjunto de cuásares será de gran uso para la comunidad científica”, dice Richards. “Además del propio censo, el relevamiento de cuásares ha realizado un número de descubrimientos clave, incluyendo el hallazgo de la mayor parte de objetos lejanos conocidos en el Universo y de un número de lentes gravitatorias”.

Mientras estaba en la Universidad Estatal de Pensilvania, Richards, junto con el estudiante graduado Michael Weinstein (ahora en Connecticut College), usó las primeras observaciones de SDSS para desarrollar una técnica de medida de distancias a los cuásares basada únicamente en los colores de las imágenes de SDSS. Esta técnica ha llevado a la capacidad de identificar más de 1 millón de candidatos a cuásares altamente probables, en los archivos de datos del SDSS.

Niel Brandt, Profesor Distinguido de Astronomía y Astrofísica, el investigador senior asociado Daniel Vanden Berk (ahora profesor asociado en St. Vincent College), y el becario posdoctoral Nicholas Ross (ahora becario posdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley) también han sido miembros del equipo de cuásares del SDSS en la Universidad Estatal de Pensilvania. “El relevamiento de cuásares requirió la contribución de decenas de científicos de todo el mundo”, dice Vanden Berk. “Hubo que analizar terabytes de información de imágenes para identificar los candidatos a cuásares, y tuvimos que observar los candidatos con espectrógrafos para determinar si eran cuásares o no”.

El artículo del Astronomical Journal, intitulado “The Sloan Digital Sky Survey Quasar Catalog. V. Seventh Data Release” está on-line en http://iopscience.iop.org/1538-3881/139/6/2360. El telescopio SDSS de propósitos especiales está ahora implicado en un número de estudios astronómicos que continuarán hasta 2014, variando desde el descubrimiento de nuevos planetas hasta el mapeo de las estructuras a gran escala del Universo.

Más información en:

http://live.psu.edu/

R. Carrasco et al., Gemini Obs. /AURA

Una lente gravitacional recientemente descubierta y situada en un cúmulo de galaxias relativamente cercano, está permitiendo a los astrónomos concluir que el cúmulo alberga a la galaxia más masiva conocida en el Universo local. El estudio también reafirma que el canibalismo galáctico es una de las razones por la cual esta galaxia es tan obesa, agrandando la escala hasta en 30 billones de veces la masa del Sol.

Esta galaxia supermasiva está ubicada en el núcleo del cúmulo de galaxias Abell 3827, localizado a aproximadamente 1.400 millones de años luz de distancia. Esta galaxia y cientos de sus compañeras más pequeñas, son visibles en una impactante imagen recién publicada por el Observatorio Gemini. La imagen es parte de un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters que da cuenta del estudio de ésta galaxia masiva usando lentes gravitacionales detectadas alrededor de su núcleo (también visibles en la imagen) para brindar nuevas medidas sobre la masa extrema de la galaxia.

Aunque esta galaxia brillante (conocida como ESO 146-IG 005) domina el núcleo de Abell 3827, “la magnitud de su apetito no ha sido apreciada en su real magnitud,” señaló el astrónomo de Gemini Rodrigo Carrasco, miembro del equipo que utilizó el telescopio de 8 metros de Gemini Sur, en Chile, para estudiar esta galaxia y su cúmulo. Las observaciones de Gemini revelaron, por primera vez, los efectos de las lentes gravitacionales cerca del núcleo de ESO 146-IG 005.

Una lente gravitacional se forma cuando un objeto masivo (en este caso el núcleo de esta galaxia supermasiva) distorsiona su espacio local. La luz de una galaxia que se encuentra detrás (en este caso dos galaxias), es desviada de su camino original. Desde nuestra perspectiva, podemos ver la luz de las galaxias posteriores deformada como una estructura de anillos y arcos alrededor del objeto deflectante. Los arcos de ambas galaxias son claramente visibles en las nuevas imágenes de Gemini.

“La lente gravitacional que descubrimos nos ha permitido medir, en forma precisa, la masa de este galaxia “monstruo”, por primera vez. La masa calculada es mayor, en un factor 10, que las estimaciones previas obtenidas con observaciones en rayos X”, dijo Carrasco. “Si suponemos que nuestro modelo es correcto, ésta es, con seguridad, la galaxia más masiva conocida en el Universo local”.

Esta excepcional galaxia no nació simplemente masiva; ha crecido devorando a sus compañeras en lo que se conoce quizás como el ejemplo más extremo de “canibalismo galáctico”. “Esta caníbal come de manera desordenada, dejando restos parcialmente digeridos de al menos cuatro galaxias, más pequeñas, aún visibles cerca de su núcleo”, señala el miembro del equipo Michael West, astrónomo del Observatorio Europeo Austral, ESO, quien observó por primera vez este sistema, hace más de una década y señala haberse sorprendido inmediatamente por la compleja morfología de esta galaxia gigante caníbal. “Juzgando por el número de galaxias cercanas que ya existen cerca de su alcance gravitacional, eventualmente esta galaxia crecerá aún más”.

Estas observaciones dan paso a importantes reflexiones acerca del proceso de crecimiento de las galaxias, especialmente en el área de las galaxias elípticas; estas galaxias parecen no haber adquirido su masa total rápidamente en el Universo temprano, sino que muestran un crecimiento significativo a través de fusiones y canibalismo en una etapa más tardía, luego que muchas de sus estrellas ya se habían formado. Las galaxias resultantes, como ésta, pueden ser extremadamente masivas.

Las observaciones de Gemini se hicieron utilizando el Espectrógrafo Multi Objetivo de Gemini (GMOS) en el telescopio de Gemini Sur, en Chile. Observaciones espectroscópicas posteriores utilizaron el mismo instrumento para confirmar las distancias (desplazamientos al rojo) de las galaxias que se encuentra detrás y cuya luz fue desviada por la galaxia masiva. Estas dos galaxias se encontraron aproximadamente a 2.700 y 5.100 millones de años luz de distancia (z = 0,2 y 0,4 respectivamente).

Además de to R. Carrasco y M. West, el quipo incluye a los astrónomos de Gemini P. Gomez, H. Lee, R. Diaz, J. Turner, B. Miller, M. Bergmann, y T. Verdugo (Universidad de Valparaiso, Chile). Los resultados completos aparecen en Carrasco et al. Strong Gravitational Lensing by the Super-Massive cD Galaxy in Abell 3827, The Astrophysical Journal Letters 715, L1, 2010.

Más información en:

http://www.gemini.edu/

Sherry Suyu (Argelander Institut für Astronomie)

Usando galaxias enteras como lentes para ver hacia otras galaxias, los investigadores tienen una forma, más nueva y precisa, de medir el tamaño y la edad del Universo y la rapidez con que se está expandiendo, en plano de igualdad con otras técnicas. La medición determina un valor para la constante de Hubble, que indica el tamaño del Universo, y confirma su edad  en 13.750 millones años, con una incertidumbre de 170 millones de años. Los resultados también confirman la intensidad de la energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión del Universo.

Estos resultados, obtenidos por investigadores del Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC), del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de Estados Unidos y de la Universidad de Stanford, la Universidad de Bonn y otras instituciones en los Estados Unidos y Alemania, se publicaron el 1º de marzo 2010, en la revista The Astrophysical Journal.  Los investigadores utilizaron datos recogidos por el telescopio espacial Hubble, de la NASA y de la ESA, y mostraron la precisión mejorada que ellos pueden ofrecer en combinación con la sonda Wilkinson de anisotropía en microondas WMAP.

El equipo utilizó una técnica conocida como lente gravitacional, para medir la distancia que viajó la luz desde una galaxia brillante y activa hasta la Tierra, por diferentes trayectorias. Comprendiendo el tiempo que tardó en recorrer cada trayectoria y la velocidad efectiva involucrada, los investigadores no sólo podían deducir cuán lejos se encuentra la galaxia, sino también la escala global del Universo y algunos detalles de su expansión.

A menudo es difícil para los científicos distinguir entre una luz muy brillante lejana y una fuente más débil, más cercana. Una lente gravitacional evita este problema proporcionando pistas múltiples en cuanto a la distancia que viaja la luz. Esa información adicional les permite determinar el tamaño del Universo, expresado a menudo por los astrofísicos en términos de una cantidad llamada la constante de Hubble.

“Hemos sabido, por mucho tiempo, que las lentes son capaces de ofrecer una medición física de la constante de Hubble”, dice Phil Marshall de KIPAC. Sin embargo, las lentes gravitacionales nunca antes habían sido utilizadas en forma tan precisa. Esta medición proporciona una medida tan exacta de la constante de Hubble, como otras herramientas ya establecidas, tales como la observación de las supernovas y el fondo cósmico de microondas. “Las lentes gravitacionales han llegado a la mayoría de edad como herramientas competitivas en el conjunto de herramientas astrofísicas”, dijo Marshall.

Cuando un gran objeto cercano, como una galaxia, bloquea un objeto distante, por ejemplo otra galaxia, la luz puede rodear ese obstáculo. Pero en lugar de tomar una sola trayectoria, la luz puede torcerse alrededor del objeto en dos o cuatro rutas diferentes, duplicando o cuadriplicando así la cantidad de información que reciben los científicos. A medida que el brillo del núcleo de la galaxia de fondo fluctúa, los físicos pueden medir el flujo y reflujo de la luz a través de las cuatro trayectorias  distintas, como en el sistema B1608 656 , objeto de este estudio. El autor líder del estudio, Sherry Suyu, de la Universidad de Bonn, dice, “En nuestro caso, había cuatro copias de la fuente, las cuales aparecían como un anillo de luz alrededor de la lente gravitacional”.

Si bien los investigadores no saben cuándo la luz abandona su fuente, pueden comparar los tiempos de llegada. Marshall lo asemeja a cuatro coches que toman cuatro rutas distintas entre sitios en lados opuestos de una gran ciudad, como la Universidad de Stanford y el Observatorio Lick, en la ciudad de San José. Y, como los automóviles frente a los congestionamientos de tránsito, la luz también puede sufrir retrasos.

“La densidad de tránsito en una gran ciudad es como la densidad de masa en una lente galáctica”, dijo Marshall. “Si se toma una ruta más larga, no necesariamente le llevará un mayor tiempo atravesarla. A veces la distancia más corta es, de hecho, el trayecto más lento “.

Las ecuaciones de las lentes gravitatorias tienen en cuenta todas las variables, tales como la distancia y la densidad, y proporcionan una mejor idea de cuándo la luz salió de la galaxia de fondo y cuánto ha viajado.

En el pasado, este método de estimación de la distancia estaba plagado de errores, pero los físicos creen que ahora es comparable con otros métodos de medición. Con esta técnica, basada en las lentes, los investigadores han llegado a obtener un valor más preciso de la constante de Hubble, y una mejor estimación de la incertidumbre en esa constante. Por lo tanto, la reducción y la comprensión de la magnitud del error en los cálculos, permite alcanzar mejores estimaciones sobre la estructura de la lente y el tamaño del Universo.

Hay varios factores que los científicos todavía tienen que tener en cuenta para determinar las distancias con lentes. Por ejemplo, el polvo en las lentes puede sesgar los resultados. El telescopio espacial Hubble tiene filtros de infrarrojo, útiles para eliminar los efectos del polvo. Las imágenes también contienen información de abundantes galaxias que están alrededor de la visual, que contribuyen al efecto de lente en un nivel que debe tenerse en cuenta.

Marshall dice que varios grupos están trabajando en la extensión de esta investigación, tanto para la búsqueda de nuevos sistemas como para nuevos estudios sobre lentes conocidas. Los investigadores ya están al tanto de más de otros veinte sistemas astronómicos adecuados para el análisis con lentes gravitacionales.

Más información en:

http://home.slac.stanford.edu/

ESA

Observaciones de grupos de galaxias débiles y lejanos hechas con el observatorio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) fueron utilizadas para investigar la evolución de la materia oscura. Los resultados del estudio se publican en la edición del 20 de enero de 2010 del The Astrophysical Journal.

La materia oscura es un misterioso e invisible componente del Universo que sólo se revela a través de su influencia gravitacional. La comprensión de su naturaleza es una de las preguntas abiertas clave en la cosmología moderna. En uno de los métodos utilizados para abordar esta cuestión, los astrónomos utilizan la relación entre masa y luminosidad que se ha encontrado para los cúmulos de galaxias, la cual vincula sus emisiones en rayos X, un indicador de la masa de la materia ordinaria (bariónica), y su masa total (la masa bariónica más la materia oscura) según lo determinado por el efecto de lente gravitacional.

Hasta la fecha la relación se podía establecerse únicamente para los cúmulos cercanos. Un nuevo trabajo de una colaboración internacional, incluyendo al Instituto Max Planck para Física Extraterrestre (MPE), al Laboratorio de Astrofísica de Marsella (LAM) y al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha hecho un gran progreso en la ampliación de la relación a estructuras más pequeñas y distante que lo que antes era posible.

Para establecer el vínculo entre la emisión de rayos X y la materia oscura subyacente, el equipo utilizó una de las mayores muestras en rayos X de grupos y cúmulos de galaxias seleccionados, producida por el observatorio de rayos X de la ESA, XMM-Newton.

Los grupos y cúmulos de galaxias se pueden encontrar de manera efectiva utilizando su emisión extendida en rayos X en escalas inferiores al minuto de arco. Como resultado de su gran área efectiva, XMM-Newton es el único telescopio de rayos X que puede detectar el nivel de emisión débil de los grupos y cúmulos de galaxias distantes.

“La capacidad de XMM-Newton para ofrecer catálogos de grandes grupos de galaxias en los campos profundos es asombrosa”, dijo Alexis Finoguenov, del MPE y de la Universidad de Maryland, coautor del artículo en The Astrophysical Journal (ApJ).

Dado que los rayos X son la mejor manera de encontrar y caracterizar los cúmulos, la mayoría de los estudios de seguimiento han sido hasta ahora limitados a grupos y cúmulos de galaxias relativamente cercanos.

“Teniendo en cuenta los catálogos sin precedentes, proporcionados por el XMM-Newton, hemos sido capaces de ampliar las mediciones de masa a estructuras mucho menores, que existían mucho antes en la historia del Universo”, dice Alexie Leauthaud de la División de Física del Berkeley Lab, primer autor del estudio publicado en ApJ.

La masa como lente

La lente gravitatoria se produce porque la masa curva el espacio a su alrededor, doblando los caminos por donde viajan los rayos de luz: cuanto más masa hay (y cuanto más cerca se está del centro de masa), más se curva el espacio, y más se desplaza y se distorsiona la imagen de un objeto distante. Así, medir la distorsión (o el “corte”) es la clave para medir la masa del objeto que actúa como lente.

En el caso de las lentes gravitacionales débiles (como las usadas en este estudio) el corte es demasiado sutil para ser visto directamente, pero débiles distorsiones adicionales en una colección de galaxias distantes pueden calcularse estadísticamente, y el corte promedio debido al efecto de lente de algún objeto masivo delante de ellas puede calcularse. Sin embargo, con el fin de calcular la masa de la lente de corte promedio, se necesita conocer su centro.

“El problema con los cúmulos de alto corrimiento al rojo (es decir, muy lejanos) es que es difícil determinar exactamente qué galaxia se encuentra en el centro del cúmulo”, dice Leauthaud. “Ahí es donde los rayos X ayudan. La luminosidad en rayos X de un cúmulo de galaxias se puede utilizar para encontrar su centro con mucha precisión”.

Conociendo los centros de masa a partir del análisis de la emisión de rayos X, Leauthaud y sus colegas pudieron usar las lentes débiles para estimar la masa total de los grupos y cúmulos distantes con mayor precisión que nunca.

El último paso fue determinar la luminosidad en rayos X de cada cúmulo de galaxias y graficarla contra la masa determinada por el efecto de lente débil, llegando a la relación masa-luminosidad para la nueva colección de los grupos y cúmulos extendiendo los estudios previos a menores masas y mayores corrimientos al rojo. Con incertidumbre calculable, la relación tiene la misma pendiente de recta para los cúmulos de galaxias cercanos que para los distantes, un simple factor de escala coherente relaciona la masa total (bariónica más oscura) de un grupo o cúmulo con su brillo en rayos X, siendo este último medido sólo a la masa bariónica.

“Al confirmar la relación masa-luminosidad y extenderla para más altos corrimientos al rojo, hemos dado un pequeño paso en la dirección correcta hacia el uso de lentes débiles como poderosas herramientas para medir la evolución de la estructura”, dice Jean-Paul Kneib, coautor del artículo en ApJ, del LAM y del Centro Nacional de Investigación (CNRS), de Francia.

En el principio

El origen de las galaxias puede ser trazado por las pequeñas diferencias en la densidad del muy cálido principio del Universo; los rastros de estas diferencias aún se pueden ver como diminutas diferencias de temperatura en el fondo cósmico de microondas (CMB).

“Las variaciones que observamos en el antiguo cielo de microondas representan las marcas que se desarrollaron a través del tiempo desde andamios de materia oscura cósmica hasta las galaxias que vemos hoy”, dice George Smoot, director del Centro Berkeley para Física Cosmológica (BCCP), profesor de Física en la Universidad de California en Berkeley, y miembro de la División de Física del Berkeley Lab. Smoot compartió el Premio Nobel de Física 2006 por medir las anisotropías en el CMB y es uno de los autores del artículo en ApJ. “Es muy emocionante que podamos medir con lentes gravitacionales cómo la materia oscura se ha colapsado y ha evolucionado desde el principio”.

Uno de los objetivos del estudio de la evolución de la estructura es entender a la materia oscura en sí, y cómo interactúa con la materia ordinaria que podemos ver. Otro objetivo es aprender más sobre la energía oscura, el misterioso fenómeno que está empujando a la materia, separándola y causando que el Universo se expanda a un ritmo acelerado. Muchas preguntas siguen aún sin respuesta: ¿La energía oscura es constante o es dinámica? ¿O ella es simplemente una ilusión causada por una limitación de la Teoría General de la Relatividad de Einstein?

Las herramientas proporcionadas por la extensión de la relación masa-luminosidad serán muy útiles para responder a estas preguntas acerca de las funciones opuestas de la gravedad y la energía oscura en darle forma al Universo, ahora y en el futuro.

Más información en:
http://sci.esa.int/

J. Richard, Durham U./ M. Swinbank et al./ Gemini Observatory

Las galaxias infantes del Universo que gozaron de un rápido crecimiento aceleran la formación de estrellas como el Sol a una velocidad mayor a 50 estrellas por año, de acuerdo a científicos de la Universidad Durham.

El descubrimiento muestra que las “maternidades estelares” dentro de las primeras galaxias dieron nacimiento a las estrellas a una velocidad mucho más rápida que la previamente esperada, revelaron los investigadores del Instituto de Cosmología Computacional de Durham.

El estudio observó a 12.500 millones de años atrás hasta uno de las más distantes galaxias conocidas, cerca de 1000 millones de años luego del Big Bang.

Usando una técnica llamada lente gravitacional – donde las galaxias distantes son amplificadas usando la gravedad de un cúmulo de galaxias cercano – los científicos observaron las rápidas explosiones de formación estelar en la galaxia llamada MS1358arc.

Dentro de las regiones de formación estelar, nuevas estrellas estaban siendo creadas a una velocidad cercana a las 50 estrellas por año, alrededor de 100 veces más rápido que lo que se había pensado previamente.

Los investigadores, quienes dicen que su trabajo representa el más detallado estudio de una galaxia en tal estado de juventud, creen que la galaxia observada es típica del Universo temprano.

Ellos dicen que la galaxia, la cual mide 6000 años luz de diámetro, también tiene todas las características que podría permitirle eventualmente evolucionar en una galaxia tal como nuestra Vía Láctea, dando una percepción de cómo el Sol y la galaxia se han formado.

Los investigadores de Durham basaron sus descubrimientos en observaciones realizados con el telescopio Gemini Norte, situado en Hawaii, y de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, de la NASA. La investigación aparece en el Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. La investigación fue financiada por la Sociedad Astronómica Real.

El autor líder, Dr. Mark Swinbank, del Instituto de Cosmología Computacional, de la Universidad Durham, dijo: “El efecto de retroceso en esta galaxia sugiere que está creciendo mucho más rápido de lo esperado”.

“Dado el tamaño de todas las regiones de formación estelar, esperaríamos que la velocidad de formación de estrellas fuera de cerca de una estrella del tipo del Sol por año, pero parece ser mucho más activa que eso”.

“Pensamos que esta galaxia es bastante típica en este tiempo e imaginamos que la Vía Láctea alguna vez lució como ésta, cuando se formaron las primeras estrellas”.

“En efecto, estamos viendo la primera generación de estrellas que están naciendo en una galaxia como la Vía Láctea. Esto nos da una visión única del nacimiento de nuestra propia galaxia”.

Los investigadores dijeron que muchas de las estrellas observadas eventualmente explotaron como supernovas, expulsando deshechos al espacio de los cuales se formaron nuevas estrellas.

El Dr. Swinbank agregó: “Al respecto, estas estrellas son la simiente de la futura formación estelar en el Universo”.

El Presidente de la Sociedad Astronómica Real, el Profesor Andy Fabian, dijo: “Es excitante ver una fotografía tan detallada de una galaxia muy distante”.

“Los primeros trabajos muestran que nuestra propia galaxia pudo haberse visto así cuando tenía un décimo de su edad actual”.

Más información en:

http://www.dur.ac.uk/

Kopeikin et al.

Un equipo de científicos, usando un conjunto de radiotelescopios de tamaño continental, ha realizado mediciones extremadamente precisas de la curvatura del espacio causada por la gravedad del Sol, y su técnica promete ser una gran contribución para un zona de la frontera de la física.

“Medir la curvatura del espacio causada por la gravedad es una de las formas más sensibles de aprender la teoría de Einstein de la relatividad general relacionándola con la física cuántica. Unir la teoría de la gravedad con la teoría cuántica es un objetivo importante para la física del siglo XXI, y estas medidas astronómicas son claves para comprender la relación entre las dos”, dijo Sergei Kopeikin, de la Universidad de Missouri.

Kopeikin y sus colegas utilizaron el sistema de radiotelescopios de línea de base muy grande (VLBA), de la Fundación Nacional para las Ciencias, para medir la curvatura de la luz causada por la gravedad del Sol, con una precisión de una parte en 30.000. Con nuevas observaciones, los científicos dicen que su técnica de precisión puede ser la medición más precisa que se haya realizado de este fenómeno.

La flexión de luz de las estrellas por la gravedad fue predicha por Albert Einstein, cuando publicó su teoría de la relatividad general, en 1916. Según la teoría de la relatividad, la intensa fuerza de gravedad de un objeto masivo como el Sol produce una curvatura tal, en el espacio cercano, que altera la trayectoria de la luz o las ondas de radio que pasan cerca del objeto. El fenómeno fue observado, por primera vez, durante un eclipse solar, en 1919.

A pesar que se han realizado numerosas medidas de los efectos en estos 90 años transcurridos, el problema de la fusión de la relatividad general y la teoría cuántica ha requerido de observaciones cada vez más precisas. Los físicos describen la curvatura del espacio y la flexión gravitacional de la luz como un parámetro llamado “gamma”. La teoría de Einstein sostiene que el valor de gamma debe ser exactamente igual a 1,0.

“Incluso un valor que difiera en una parte en un millón de 1,0 tendría importantes consecuencias para el objetivo de unir la teoría de la gravedad y la teoría cuántica y, por lo tanto, en la predicción de los fenómenos en las regiones de alta gravedad, cerca de los agujeros negros”, dijo Kopeikin.

Para hacer mediciones muy precisas, los científicos encararon el VLBA, un sistema de radiotelescopios de rango continental, abarcando desde Hawai hasta las Islas Vírgenes. El VLBA ofrece el poder para hacer las mediciones más precisas de posiciones en el cielo y las imágenes más detalladas que cualquier otro instrumento astronómico disponible.

Los investigadores hicieron sus observaciones cuando el Sol pasó casi por delante de cuatro cuásares distantes – lejanas galaxias con agujeros negros en sus núcleos – en octubre de 2005. La gravedad del Sol causó ligeros cambios en las posiciones aparentes de los cuásares, ya que desvió las ondas de radio procedentes de los objetos más distantes.

El resultado fue un valor medido de gamma de 0,9998 + / – 0,0003, en excelente acuerdo con la predicción de Einstein de 1,0.

“Con más observaciones  como la nuestra, además de medidas complementarias, como las realizadas con la nave espacial Cassini, de la NASA, podemos mejorar la exactitud de esta medida por lo menos en un factor cuatro, para proporcionar la mejor medición de gamma jamás realizada”, dijo Edward Fomalont, del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO). “Como gamma es un parámetro fundamental para las teorías de la gravedad, su medición, utilizando diferentes métodos de observación, es crucial para obtener un valor que sea apoyado por la comunidad de la Física”, agregó Fomalont.

Kopeikin y Fomalont trabajaron junto a John Benson, del NRAO, y Gabor Lanyi, del Laboratorio de Propulsión a Reacción, de la NASA. Ellos publicaron sus hallazgos en la edición del 10 de julio de 2009 de la revista Astrophysical Journal.

Más información en:

http://www.nrao.edu/