Cuando el astrofísico teórico de Rutgers, Charles Keeton, vio por primera vez una imagen inusual compartida por su colega, sintió curiosidad.
«¿Alguna vez has visto una Cruz de Einstein con una imagen en el centro?», preguntó su colega Andrew Baker, refiriéndose a una configuración cósmica poco común.
Keeton no la había visto. Las implicaciones eran enormes.
«Dije, bueno, eso no debería suceder», dijo Keeton, vicerrector de Aprendizaje Experiencial en la Universidad de Rutgers-Nuevo Brunswick. «No se puede obtener una quinta imagen en el centro a menos que algo inusual esté sucediendo con la masa que curva la luz».
Una «Cruz de Einstein» es una configuración cósmica poco común, en la que la luz de una galaxia distante se curva por la gravedad de las galaxias que se encuentran frente a ella, creando cuatro imágenes. Pero la imagen adicional en esta Cruz de Einstein apuntaba a «algo inusual», que resultó ser un halo masivo y oculto de materia oscura. La existencia de esta estructura invisible solo pudo inferirse mediante un cuidadoso modelado y análisis informático.
El descubrimiento, realizado por un equipo internacional que incluye a Keeton, Baker y la estudiante de posgrado de Rutgers, Lana Eid, se ha publicado en The Astrophysical Journal.
La materia oscura constituye la mayor parte de la materia del universo, pero no se puede ver directamente. «Solo sabemos que está ahí por cómo afecta a lo que podemos ver, como la forma en que desvía la luz de las galaxias distantes», afirmó Baker, profesor distinguido del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias y coautor del estudio. «Este descubrimiento nos brinda una oportunidad excepcional para estudiar esa estructura invisible en detalle».
El primer paso hacia ese descubrimiento se dio en Francia.
«Pensábamos: ‘¿Qué demonios?'», dijo Pierre Cox, astrónomo francés, director de investigación del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y autor principal del estudio, quien detectó por primera vez la anomalía en los datos del Conjunto Milimétrico Extendido del Norte (NOEMA) de radiotelescopios en los Alpes franceses.
«Parecía una cruz, y había una imagen en el centro», dijo Cox. «Sabía que nunca había visto eso antes».
El equipo estudiaba una galaxia distante y polvorienta llamada HerS-3. Utilizando NOEMA y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile, observaron que la luz de HerS-3 se dividía en cinco imágenes en lugar de cuatro. Al principio, pensaron que podría ser un fallo en los datos. Pero la quinta imagen no desaparecía.
«Intentamos eliminarla», dijo Cox. «Pensamos que era un problema del instrumento. Pero era real». El modelado computacional de la lente gravitacional realizado por Keeton y Eid demostró que las cuatro galaxias visibles en primer plano que causaban la curvatura gravitacional no podían explicar los detalles del patrón de cinco imágenes. Solo añadiendo una gran masa invisible, en este caso un halo de materia oscura, el modelo pudo coincidir con las observaciones.
«Probamos todas las configuraciones razonables utilizando únicamente las galaxias visibles, y ninguna funcionó», afirmó Keeton, también profesor del Departamento de Física y Astronomía y coautor del estudio. «La única manera de que las matemáticas y la física coincidieran era añadir un halo de materia oscura. Ese es el poder del modelado: ayuda a revelar lo que no se puede ver».
La inusual configuración no solo luce genial: los científicos afirmaron que tiene un gran valor científico. El efecto de lente magnifica la galaxia de fondo, lo que permite a los astrónomos estudiar su estructura con mayor detalle de lo habitual. También ofrece una oportunidad excepcional para aprender sobre la materia oscura que rodea a las galaxias en primer plano.
«Este sistema es como un laboratorio natural», afirmó Cox. «Podemos estudiar tanto la galaxia distante como la materia invisible que desvía su luz».
Eid, estudiante de posgrado de Rutgers que cursa su doctorado y coautora del estudio, afirmó que su participación en el proyecto de investigación ha sido emocionante de principio a fin.
«Me entusiasmó unirme a este proyecto como estudiante de posgrado, especialmente porque involucraba un fascinante sistema de lentes que se volvió más intrigante a medida que nuestros modelos evolucionaban», afirmó Eid. «Colaborar a través de continentes y zonas horarias me enseñó el valor de la diversidad de conocimientos y estilos de investigación para comprender plenamente un nuevo descubrimiento».
El equipo incluso ha predicho que más características, como el gas que emana de la galaxia, podrían ser visibles en futuras observaciones. Si estas predicciones se confirman, constituiría una importante validación de sus modelos. De lo contrario, aún les enseñaría algo nuevo.
«Esta es una predicción refutable», dijo Keeton. «Si observamos y no la vemos, tendremos que volver a empezar. Así es la ciencia».
Baker afirmó que el descubrimiento fue crucial gracias a la colaboración internacional y al apoyo del gobierno federal estadounidense a la ciencia. «ALMA en Chile y el Very Large Array (VLA) en Nuevo México cuentan con el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia, y el Telescopio Espacial Hubble cuenta con el apoyo de la NASA; todos desempeñaron un papel vital en este trabajo», concluyó. «Esperamos que sigan facilitando este tipo de descubrimientos en el futuro».
Con información de The Astrophysical Journal
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