Lentes astronómicamente grandes miden la edad y tamaño del universo

Lente gravitatoria

Usango galaxias enteras como lentes para observar otras galaxias, los investigadores tienen una nueva y precisa forma de medir el tamaño y edad del universo y cómo de rápido se expande, junto con otras técnicas. Las medidas determinan un valor para la constante de Hubble, la cual indica el tamaño del universo, y confirma la edad del universo de 13 750 millones de años, con un margen de error de 170 millones de años. Los resultados también confirman la fuerza de la energía oscura, responsable de acelerar la expansión del universo.

Estos resultados, de investigadores del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Universidad de Stanford, la Universidad de Bonn, y otras instituciones de los Estados Unidos y Alemania, se publican en el ejemplar del 1 de marzo de la revista The Astrophysical Journal. Los investigadores usaron datos recopilados por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, y mostraron una mejor precisión proporcionada en combinación con la Sonda Wilkinson de Anisitropía de Microondas (WMAP).

El equipo usó una técnica conocida como lente gravitatoria para medir la distancia que viaja la luz desde una galaxia activa y brillante hasta la Tierra a lo largo de varios caminos. Conociendo el tiempo que necesita para viajar a lo largo de cada camino y las velocidades efectivas implicadas, los investigadores pudieron deducir no sólo cómo de lejos están las galaxias, sino también la escala global del universo y algunos detalles de su expansión.

A menudo es difícil para los científicos distinguir entre una luz lejana muy brillante y una fuente tenue más cercana. La lente gravitatoria solventa este problema proporcionando múltiples pistas sobre la distancia que viaja la luz. Esta información extra les permite determinar el tamaño del universo, a menudo expresado por los astrofísicos en términos de una cantidad conocida como constante de Hubble.

“Desde hace tiempo hemos sabido que las lentes son capaces de hacer medidas físicas de la constante de Hubble”, dice Phil Marshall del KIPAC. No obstante, la lente gravitatoria nunca antes había sido usada de una forma tan precisa. Esta medida proporciona una medida igualmente precisa de la constante de Hubble que herramientas bien establecidas como las supernovas o el fondo de microondas cósmico. “La lente gravitatoria ha madurado hasta convertirse en una herramienta competitiva en la caja de los astrofísicos”, dijo Marshall.

Cuando un gran objeto cercano, como una galaxia, bloquea la luz de un objeto lejano, como otra galaxia, la luz puede rodear el bloqueo. Pero en lugar de tomar un único camino, la luz puede curvarse alrededor del objeto en una o dos, o cuatro rutas distintas, duplicando o cuadruplicando la cantidad de información que reciben los científicos. Cuando el brillo del núcleo de la galaxia de fondo fluctúa, los físicos pueden medir las subidas y bajadas de la luz desde los cuatro caminos distintos, como sucede en el sistema B1608+656 que fue objeto de este estudio. La autora principal del mismo, Sherry Suyu, de la Universidad de Bonn, dijo: “En nuestro caso, hubo cuatro copias de la fuente, que aparece como un anillo de luz alrededor de la lente gravitatoria”.

Aunque los investigadores no saben cuándo abandonó la luz su fuente, pueden comparar los tiempos de llegada. Marshall lo asemeja a cuatro coches que toman distintos camino entre lugares opuestos de una gran ciudad, tales como la Universidad de Stanford y el Observatorio Lick, a través o alrededor de San Jose. Y de la misma forma que los coches pueden encontrar problemas de tráfico, la luz puede encontrar también retardos.

“La densidad del tráfico en una gran ciudad es como la densidad de masa en una galaxia lente”, dice Marshall. “Si tomas una ruta más larga, no necesariamente llegarás más tarde. A veces las distancias cortas son en realidad más lentas”.

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

En el pasado, este método de estimación de distancia estaba plagado de errores, pero los físicos creen ahora que es comparable a otros métodos de medida. Con esta técnica, los investigadores han logrado un valor más preciso basado en lentes para la constante de Hubble, y una mejor estimación de la incertidumbre sobre la constante. Reduciendo y comprendiendo el tamaño del error en los cálculos, pueden lograr mejores estimaciones de la estructura de la lente y del tamaño del universo.

Hay varios factores que los científicos aún tienen que tener en cuenta para determinar distancias con lentes. Por ejemplo, el polvo de la lente puede sesgar los resultados. El Telescopio Espacial Hubble tiene filtros infrarrojos útiles para eliminar los efectos del polvo. Las imágenes también contienen información sobre el número de galaxias que están alrededor de la línea de visión; éstas contribuyen al efecto lente en un nivel que tiene que tomarse en cuenta.

Marshall dice que hay varios grupos trabajando para extender esta investigación, tanto encontrando nuevos sistemas como examinando lentes conocidas. Los investigadores ya conocen más de otros veinte sistemas astronómicos adecuados para su análisis con lente gravitatoria.


Autor: Julie Karceski
Fecha Original: 1 de marzo de 2010
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Comments (8)

  1. kike

    A mi modesto parecer, y salvo mejor opinión, querer medir la edad del Universo a base de las distintas velocidades de los fotones de luz en las Cruces de Einstein parece a simple vista un poco pretencioso; sabemos que la luz viaja en línea recta en el vacío, pero como las mismas lentes demuestran, la gravedad modifica su trayectoria, y aunque se puedan observar los grandes cuerpos luminosos que se encuentran detrás, muy posiblemente también deben existir otros cuerpos opacos como nebulosas y demás que ralenticen el viaje de los fotones, y eso parece malo de comprobar para tener unas medidas fiables.

    Supongo que por mucha Constante de Hubble que se afine siempre existirá un grado alto de desconocimiento del camino que haya seguido la luz hasta ser desviada por el cuerpo que hace de lente, lo que podría modificar los resultados en un porcentaje a tener en cuenta.

    • El amigo Kike lleva su parte de razón y, desde luego, las cosas no son tan nítidas ni exactas como nos quieren hacer ver. Medir las distancias “exactas” a las que están situados los objetos lejanos y, además, hablar del valor para la constante de Hubble y de la verdadera edad del Universo, si ponemos “detrás” la palabra aproximadamente o delante la palabra “parece que”, la cosa estaría mucho mejor.

      El artículo está bien y nos habla de cuestiones relativas a sucesos y hechos que son explicados como “creemos” que son después de haber realizado esas prubas.

      Las aplicaciones del efeto microlente es ya bien conocida y como se nos explica aquí, el ejemplo de lente gravitacional en el que se forman cuatro imágenes de un objeto lejano, lo tuvimos como primer ejemplo, al ser detectado el quásar G2237+0305, que mostró cuatro imágenes distintas dispuestas simétricamente alrededor de una galaxia más cercana, que actúa como lente.

      El quásar que sufre el efecto está situado a 8.000 millones de a.l., mientras que la galaxia se encuentra a 500 millones de a.l. Este objeto se conoce como el Lente de Huchra en honor a su descubridor el astrónomo norteamericano Hohn Peter Huchra. Objetos descubiertos con posterioridad con estas mismas características también son denominados cruces de Einstein.

      En realidad aquí de lo que estamos hablando es del efecto en el que los rayos de luz son doblados por el campo gravitaciopnal de un objeto masivo, como una galaxia o un agujero negro y, a escalas cosmológicas el efecto se hace patente en la formación de imágenes dobles o múltiples de una galaxia o quásar distante por el objeto situado en primer plano. También pueden ocurrir efectos de lente más complicados, incluyendo la formación de anillos de Einstein, arcos luminosos y microlentes.

      Está claro que el campo gravitatorio de la galaxia ha curvado la trayectoria de los rayos de luz del quásar haciendo que se formen cuatro imágenes distintas (correspondientes a cuetro trayectorias de camino óptico estacionario según el principio de Fermat). Este fenómeno, formación de varias imágenes (espejismo) de una fuente elejana por un objeto con masa (casi alineado con la fuente y el observador) se conoce como lente gravitatoria fuerte y en Astrfísica y Cosmología tiene importantes aplicaciones.

      Como nos dicen en el artículo, hay variantes diversas. La separación entre las imágenes depende de la masa de la galaxia: a mayor masa mayor separación. El flujo de cada imagen relativo a la fuente (la magnificación de cada imagen) depende de la masa y forma de la galaxia lente y de la geometría (distancia y grado de alineamiento) del sistema quásar-galaxia-observador (o cualesquiera otros objetos que intervengan en el experimento).

      Si la materia de la galaxia está distrinuida suavemente aquí se acabaría la descripción básica del efecto lente. Sin embargo, la distribución de la masa de una galaxia dista mucho de ser suave. En realidad la materia conocida de las galaxias está formada por distribuciiones discontinuas de masa, las estrellas. Esto implica que cada una de las cuatro trayectorias curvadas (cuatro macroimágenes) que se forman debido al efecto promedio de todas las estrellas de la galaxia (campo gravitatorio medio) puede, a su vez, subdividirse en nuevas trayectorias debido a la forma aleatoria en que están distribuidas las estrellas individuales (campo gravitatorio local o fluctuante) en la región de la galaxia lente en la que vemos la macroimágen.

      En los últimos años, un grupo de Astrónomos y Astrofísicios en el Telescopio NOT de La Palma, han establecido y desarrollado una técnica para establecer las magnificaciones relativas a las macroimágenes en ausencia de efecto microlente. lo cual, han logrado promediando el campo gravitatorio fluctuante en una región lo suficientemente grande donde sólo queda el efecto del campo medio.

      El trabajo que aquí se nos presenta, tampoco nos habla de la posible incidencia que el campo magnético de la galaxia pudiera tener en todos los resultados que, como bien apunta Kike arriba, creo que estarían afectados por muchas cosas que aquí no se han tenido en cuenta.

      Sin embargo, y, a pesar de todas las pegas que podamos poner, lo cierto es que, se están hacoiendo nuevos intentos por conocer nuestro Universo y, eso, amigos míos, en sí mismo ya se ha ganado nuestro aplauso.

  2. Jordi

    Yo me pregunto, si el universo tiene frontera y estuvieramos en ella, con ese valor de la constante de Hubble ¿podríamos viajar más rápido que la expansión con una nave espacial actual en su misma dirección? O sea para intentar cruzar la frontera a ver que pasa.

    Saludos

    • Estyimado Jordi, las naves actuales que enviamos al espacio apenas alcanzan los 50 000 km/h y, si con esos cachorros pretendes llegar al hipotético final del Universo…espera sentado.

      Por otra parte, ¿quién está seguro de que en realidad exista una frontera? Nosotros sabemos lo grande que el Universo pueda ser en función de los limitados aparatos que tenemos y, desde luego (al menos a mí) no me dan una garantía de que estemos seguros de nada.

      El Universo es grande, eso lo sabemos y el mismo hecho de que nosotros estemos aquí así lo atestigua, ya que, los materiales de los que estamos constituidos se formaron en las estrellas hace ya más de 10 000 millones de años. Sin embargo, eso no marca ninguna frontera ni nos habla de ningún final. Lo único que tenemos es un modelo que, de momento, cuadra bastante bien con las observaciones. Nada más.

      Todos sabemos que lo que hoy es una fantasía mañana será una realidad, y, como la Ciencia se encarga de ir cambiando los conceptos que de la Naturaleza tenemos, esperemos que, al ritmo que la ciencia está caminando, pronto sepamos mucho más de todo esto.

      Aunque eso sí, de los viajes espaciales tripulados…de momento al menos, nos tenemos que despedir. Desde que llegaron las sondas espaciales que hacen un buen trabajo (no el que seríamos capaces de hacer nosotros), el ser humano ha quedado relegado hasta tener más medios técnicos y conocimientos mucho más avanzados que no hagan tan penosos, costosos y peligrosos, los viajes espaciales de seres humanos y, menos aún, a lugares lejanos que, como las lunas de Júpiter y Saturno requerirían de medios que hoy no tenemos.

      ¿De qué estábamnos hablando? ¡Ah! sí, de lentes astronómicamente grandes que pueden medir la edad del Universo.

      ¡Qué cosas!

    • Oscar

      Son las galaxias las que se alejan unas de otras, no la nave.

    • Gerardo

      Cuando hablas de cruzar la frontera, me parece que piensas como si fuera la frontera de dos paises, cuando estas en uno tienes tierra bajo tus pies, y cuando cruzas la frontera tienes la misma tierra pero con otro nombre.

      No es el caso del universo, si tuviera frontera no seria posible cruzarla, ya que seria como “salirse de contexto”, es decir, tu existencia esta definida por leyes fisicas dentro del universo, no fuera de el. De alguna manera el universo se las arreglaria para mantenerte adentro. Si pudieras cruzar esa frontera y las leyes y constantes fueran las mismas, ¿Realmente habrias pasado dicha frontera? ¿realmente sería otro universo?

      Además, creo que la frontera del universo desde nuestro punto de vista es la linea imaginaria a donde ha llegado la luz emitida por nosotros (el sol por ejemplo) en el periodo de vida del universo. Es imposible recibir o enviar luz de más alla de este limite, aunque no significando esto que el universo no se extienda más alla. Asi, que si tomas este limite como tu frontera, pudiera cruzarlo igual como si cruzaras dos paises, sin ningun contratiempo.

  3. Marcos

    Es algo más que pretencioso, es tendencioso. La energía oscura es una chapuza introducida para hacer coincidir la teoría con los datos observados. Decir que los datos también confirman la fuerza de la energía oscura lo único que hace es invalidar a ambos.

    • Oscar

      Bueno, creo que deberias informarte un poco mas del tema. No es ninguna chapuza. La cosmologia actual puede parametrizar la expansion acelerada del universo. La interpretacion, sin embargo, es un poco mas compleja. Pero no es ninguna chapuza.

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