Si busca algo atractivo para la vista intergaláctico y brillo cósmico, es difícil superar a Abell 3827, un cúmulo abarrotado de cientos de galaxias a unos 1.300 millones de años luz de la Tierra. Las imágenes del cúmulo tomadas por el Telescopio Espacial Hubble muestran un brillante cuarteto central de galaxias fusionadas que brillan como diamantes y posadas sobre un etéreo anillo de compromiso azul. Pero Abell 3827 hace alarde de algo más que una belleza superficial: ofrece un atractivo más profundo para los astrofísicos curiosos.
A pesar de todo su brillo, sólo es visible alrededor del 10 por ciento de la masa del cúmulo. El 90 por ciento restante existe en halos de una sustancia invisible llamada materia oscura, halos tan masivos que el cúmulo dobla el espacio-tiempo cercano para actuar como una lupa gigante, que los astrónomos llaman una lente gravitacional. El tenue y brillante “anillo de compromiso” que envuelve el centro del cúmulo es en realidad un conjunto de apariciones amplificadas, deformadas y multiplicadas de una galaxia de fondo muy distante y fortuitamente alineada. Y los teóricos han estado desconcertados durante años sobre los extraños detalles específicos esculpidos en materia oscura de las imágenes especulares.
“Nunca antes había visto algo como esto”, dice Jenny Wagner, astrofísica teórica del Instituto y Conferencias de Estudios Avanzados de las Bahamas. “Cuando miré el grupo, pensé: ‘Algo no está bien aquí’”, recuerda. “No podía señalar con el dedo lo que no estaba bien”.
Debido a sus circunstancias y apariencia únicas, Abell 3827 es uno de los mejores lugares Los astrónomos pueden buscar pistas sobre ¿Qué es exactamente la materia oscura?. La misteriosa sustancia constituye el 80 por ciento de la masa del universo y es fundamental para los modelos cosmológicos modernos, pero tiene eludió la detección directa durante casi 90 años. Mapear con precisión los arcos de luz con lentes gravitacionales y las imágenes especulares que rodean a Abell 3827 permite a los científicos pesar el cúmulo y determinar dónde y cuánta materia oscura contiene.
Pero ¿cuántas imágenes retorcidas muestra Abell 3827? Depende de a quien le preguntes. Durante más de una década, muchos equipos de físicos han entrecerrado los ojos para identificar y rastrear visualmente cada una de las imágenes distorsionadas que la acompañan. Han informado de cuatro, seis o incluso ocho espejismos de la galaxia de fondo que rodea el cúmulo, y cada número sugiere una distribución ligeramente diferente para la materia oscura de Abell 3827. Muchas de las imágenes especulares aparentes también están inusualmente rotadas unas con respecto a otras. Además, investigaciones anteriores han señalado los movimientos de sus cuatro galaxias centrales en fusión como una posible sonda para la presencia de materia oscura que interactúa sola (SIDM), una variedad hipotética de materia oscura que podría formar estructuras más complejas que el tipo estándar, que se cree que es cósmicamente más inerte. Pero también en este caso los investigadores han llegado a conclusiones contradictorias: algunos informaron evidencia consistente con SIDM y otros no encontraron tal cosa. A pesar del enorme potencial de Abell 3827, para los astrónomos que buscan aclarar su funcionamiento oculto, el cúmulo de galaxias sigue siendo un desastre. “Lo que está ocurriendo es un gran accidente automovilístico”, dice Richard Massey de la Universidad de Durham en Inglaterra, que no participó en la nueva investigación pero ha estudiado Abell 3827 en detalle. “Como dice la policía, todos los que presencian un accidente automovilístico cuentan una versión completamente diferente de los hechos”.
Lentes gravitacionales: de panqueques a gofres
Ahora Wagner y dos de sus colegas han propuesto una nueva teoría que podría resolver algunas de estas discrepancias. En lugar de que alguna peculiaridad esquiva de la materia oscura cause las imágenes excepcionalmente borrosas y torcidas de una galaxia de fondo con lentes gravitacionales, los investigadores argumentan que el verdadero culpable es la inesperadamente compleja morfología de lentes del cúmulo de galaxias. El trío propone que, en lugar de ser “plano como un panqueque”, como suponen los modelos de lentes estándar, Abell 3827 actúa como una lente más gruesa y tridimensional con aberraciones correspondientemente más fuertes en su corona borrosa de imágenes proyectadas. “Imagínate que tienes un gofre belga y lo pones muy lejos de ti; quedará como un panqueque”, dice Wagner. “Pero cuanto más se acerca, más se ve que en realidad tiene una estructura gruesa a lo largo de la línea de visión”.
Los investigadores de materia oscura que estudian cúmulos de galaxias con lentes gravitacionales han preferido durante mucho tiempo modelos planos en aras de la simplicidad porque el espesor de un cúmulo de lentes es insignificante, en comparación con las distancias de mil millones de años luz que separan a la mayoría de ellos de la Tierra. Ese enfoque, sin embargo, sólo puede explicar el corte o el estiramiento de las imágenes, no las orientaciones desconcertantes que se ven en Abell 3827, dice Wagner.
La nueva teoría, que el equipo recientemente publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, se basa en la premisa de que las galaxias del cuarteto central no se encuentran a una distancia única, sino que están dispersas a lo largo de nuestra línea de visión. Por lo tanto, la luz de la galaxia de fondo debe ser enfocada no instantáneamente, como se modela convencionalmente, dice Wagner, sino varias veces a lo largo de una distancia de 46 millones de años luz, que es el espesor estimado del cúmulo de galaxias Abell 3827. Según la hipótesis del equipo, una galaxia lente del cuarteto central que está significativamente más cerca de la Tierra que el resto podría ser en parte responsable. Investigaciones anteriores han demostrado que tres de las galaxias son similares a perlas en un hilo, aproximadamente equidistantes de nosotros en el plano del cielo. Sin embargo, el cuarto parece estar más cerca de nosotros a unos 32 millones de años luz. Por lo tanto, es muy probable que la luz de la galaxia de fondo sea captada no una sino al menos dos veces antes de llegar a nuestros telescopios, dice Wagner.
El cúmulo es un “caos de galaxias que giran de una manera sin precedentes”, dice Wagner, por lo que las observaciones futuras que midan con precisión las velocidades de las galaxias entre sí ayudarían a validar esta hipótesis. Si su nueva teoría se sostiene, también reforzaría el argumento de que los supuestos signos de SIDM que se vislumbraron previamente en el cúmulo pueden explicarse mejor como productos espurios de modelos defectuosos de materia oscura. Y es posible que los físicos también tengan que revisar esos modelos para incorporar múltiples lentes gravitacionales dentro de otros cúmulos de galaxias que deforman la luz. “El papel de otras estructuras a lo largo de la línea de visión ha sido una cuestión importante para el análisis de lentes”, dice Adi Zitrin, experto en análisis de cúmulos de galaxias de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel, que no participó en el nuevo estudio. . “En la práctica, sin embargo, es algo que a menudo descuidamos, ya sea porque queremos simplificar las cosas o porque no tenemos los datos”.
Conjeturas y “grupos de fantasmas”
Para mapear mejor la distribución de imágenes especulares alrededor de Abell 3827, Wagner y su equipo desarrollaron una herramienta de análisis de imágenes para identificar y correlacionar automáticamente características distintivas entre los arcos de luz deformados. Cuando la herramienta no pudo identificar algunas características reportadas en trabajos anteriores, el equipo atribuyó esta discrepancia a errores humanos previos al mapear las imágenes obtenidas con lentes, errores que luego se agravaron después de ser incorporados en modelos posteriores. “Hay que tener en cuenta: tenemos modelos. Tienen sus limitaciones”, dice Wagner, “y la pregunta para mí siempre es: ¿Qué tan loca puede ser la física y cuándo me equivoco en mi modelado?”
Otros científicos coinciden en que los modelos actuales de materia oscura (muchos de los cuales simulan una lente gravitacional como un objeto plano bidimensional) son propensos a errores humanos e inevitablemente se basan en conjeturas. Wagner y su equipo notaron que un problema común con los modelos era la presencia de “grupos fantasma”, masas anómalas de masa que los modelos predijeron que existían alrededor del cúmulo donde las observaciones sugerían que solo había espacio vacío. Según la hipótesis del “gofre”, agregar una segunda lente gravitacional a los modelos que simulan mejor el espesor del cúmulo de galaxias debería resolver el problema de los grupos fantasma, dice Wagner, aunque “se necesitaría establecer una nueva forma de modelar las lentes”. ”Para confirmarlo realmente.
Sin embargo, no todo el mundo está convencido todavía de que la nueva teoría pueda explicar satisfactoriamente la confusa variedad de imágenes distorsionadas de Abell 3827. Liliya Williams, de la Universidad de Minnesota, que ha estudiado el cúmulo de galaxias, sospecha que las matemáticas detrás de la herramienta de análisis de imágenes de Wagner y sus colegas fallan en las imágenes obtenidas con lentes del cúmulo, que son aproximadamente cuatro veces más grandes en tamaño angular que las de la mayoría de los otros conocidos. lentes gravitacionales. “Me pregunto si la conclusión de la lente gruesa proviene de llevar su método más allá del límite donde es aplicable”, dice Williams, que no participó en el estudio.
“No sé si es la más convincente, pero creo que es al menos tan plausible como otras interpretaciones que han existido”, dice Tim Hamilton de la Universidad Estatal de Shawnee, que no formó parte del estudio. “Con la cantidad de información que tenemos en este momento, es probablemente la forma más sencilla de modelarla sin intentar introducir complicaciones adicionales”.
Contrariamente a las conclusiones de Wagner y su equipo, otros expertos dicen que una de esas interpretaciones sigue siendo la tentadora posibilidad de que SIDM, que puede estar interactuando consigo mismo por debajo de nuestros límites de detección actuales. Más imágenes del cúmulo y sus desconcertantes imágenes con lentes ayudarán a los astrónomos a mapear mejor la distribución de masa dentro de Abell 3827, lo que luego puede revelar si las estrellas del cúmulo están compensadas por su materia oscura, una posible firma irrefutable del SIDM.
Massey, que encabezó gran parte del trabajo que vincula el Abell 3827 con los modelos SIDM, sigue convencido de que la materia oscura debe autointeractuar al menos de una manera minúscula para existir en primer lugar. Detectar un comportamiento tan sutil y esquivo escrito en la luz deformada de galaxias distantes, dice, es algo que “podríamos lograr en la próxima década”.