Llevando la investigación de lentes gravitacionales a un nuevo nivel

Los astrofísicos mapean la materia oscura mediante el análisis estadístico de las sutiles distorsiones en las formas de las galaxias lejanas de fondo. Estas distorsiones son causadas por el efecto de lente gravitacional de objetos masivos como los cúmulos galácticos o la red cósmica en primer plano.

“Podemos utilizar el efecto de lente gravitacional para medir la materia oscura invisible que, de otro modo, no podríamos ver. Y esto se logra observando las imágenes de galaxias lejanas y viendo cómo se han distorsionado por la materia que hay entre nosotros y esa galaxia”, afirma Theo Schutt, estudiante de posgrado del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología de la Universidad de Stanford y del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC.

Si los científicos logran capturar muchas imágenes de la misma zona del cielo, podrán crear una imagen final mucho más detallada. Imágenes más nítidas permiten comprender con mayor precisión la masa invisible que distorsiona la luz que llega desde lejos. Sin embargo, el número de imágenes que pueden utilizar los astrofísicos está limitado por la potencia del telescopio y la velocidad a la que los científicos pueden analizarlas.

A finales de este año, los científicos superarán una de esas limitaciones con la puesta en servicio del Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE y su investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la posteridad (LSST por sus siglas en inglés). El Observatorio Rubin está financiado conjuntamente por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, ambos de Estados Unidos. El Observatorio Rubin es un Programa conjunto de NOIRLab de NSF y el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE, que operarán Rubin de forma cooperativa. La Cámara LSST de Rubin tomará fotografías del cielo nocturno con un detalle, una profundidad y un alcance sin precedentes. La Investigación LSST recopilará más de 20 terabytes de datos cada noche durante un período de diez años, lo que dará como resultado un volumen de datos significativamente superior a todo lo que han manejado hasta ahora los cosmólogos y astrofísicos.

“Podremos detectar y medir las órbitas de un número inmenso de estrellas, galaxias y objetos del Sistema Solar que son difíciles o imposibles de ver con los telescopios actuales”, aseguró Phil Marshall, Subdirector de Operaciones del Observatorio Rubin y Científico Senior del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC.

El problema será: ¿cómo superarán la otra limitación: la velocidad a la que pueden analizar esas imágenes?

“Las cifras son inquietantes, pero muy emocionantes a la vez”, afirma Schutt.

Para cada zona del cielo, Rubin capturará varios cientos de imágenes. Los científicos que estudian los lentes gravitacionales deben desarrollar métodos nuevos y más eficientes para identificar y analizar estos fenómenos.

¿Qué es un lente gravitacional?

En cosmología, existen dos tipos principales de lente gravitacional: débil y fuerte.

El lente gravitacional débil describe un efecto relativamente menor: “Las formas de las galaxias que vemos están modificadas en menor medida con respecto a lo que habríamos visto si no hubiera alguna masa entre medio”, explica la profesora de astrofísica y cosmología de la Universidad Carnegie Mellon, Rachel Mandelbaum.

Mandelbaum explica que, cuando se produce un lente débil, las imágenes de muchos objetos de una misma zona (como galaxias cercanas) se estiran o deforman de manera parecida. “Buscamos esos patrones repetidos en las imágenes y eso nos dice que hay un lente débil”, precisó.

Mientras que la luz de todas las galaxias del Universo experimenta algún tipo de lente gravitacional débil en su trayectoria hacia la Tierra, la luz de unas pocas galaxias experimenta un tipo diferente de lente gravitacional.

Por otra parte, el lente gravitacional fuerte se produce cuando una galaxia lejana se encuentra directamente detrás de otro objeto masivo. Esta alineación distorsiona la luz de la galaxia de fondo, de modo que envuelve el objeto masivo en primer plano en múltiples puntos. Este efecto hace que un observador en la Tierra vea múltiples imágenes del mismo objeto lejano.

Imagínate en el siguiente escenario: estás observando una galaxia masiva —normalmente amarilla y con forma elíptica— y justo detrás de ella hay una galaxia azul mucho más tenue. “No es que la galaxia de fondo esté oculta y sea imposible de ver; en realidad sí puedes observarla porque su luz viaja a nosotros, pero se desvía al pasar cerca de la galaxia masiva en primer plano y termina llegando al ocular de tu telescopio”, explica Marshall.

En este ejemplo de lente gravitacional, parecieran ser cuatro conjuntos de imágenes amplificadas por lente gravitacional que corresponden a cuatro galaxias de fondo distintas, desde el arco rojo gigante más al extremo hasta el arco azul brillante más interno, ordenados en cuatro círculos concéntricos. Todas están deformadas por la gravedad, o amplificadas por lente gravitacional, por la galaxia color naranja situada en el centro. Esta imagen fue capturada como parte de los estudios DESI Legacy Imaging Surveys.

Credit: DESI Legacy Imaging Surveys/LBNL/DOE & KPNO/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Una forma en que los científicos pueden averiguar la distancia a las galaxias masivas del Universo es observando cómo cambia la luz de sus lentes gravitacionales con el tiempo. Por ejemplo, si una galaxia tiene un agujero negro supermasivo en su interior, la luz de la materia que orbita alrededor del agujero negro brillará de forma intermitente, como si estuviese parpadeando: “El tiempo que transcurre entre los parpadeos puede dar información sobre las distancias entre nosotros, el lente gravitacional y la galaxia activa en el fondo, si se conoce la masa de la galaxia con lente gravitacional”, explica Marshall.

¿Qué aportará Rubin?

Con un tamaño similar al de un automóvil y el doble de su peso, la Cámara LSST del Observatorio Rubin es la cámara digital más grande jamás construida. Esta cámara de 3.200 megapíxeles podrá capturar imágenes de miles de millones de galaxias.

La Investigación LSST del Observatorio Rubin ayudará a los científicos a estudiar los efectos de lentes gravitacionales que ya se han observado. También les ayudará a aumentar considerablemente su catálogo de ejemplos. En la actualidad, los científicos conocen alrededor de 1.000 lentes gravitacionales fuertes, “pero con Rubin deberíamos poder llegar a varias decenas de miles”, afirma Marshall.

En los últimos 5 a 10 años, los cosmólogos han observado un pequeño número de lentes gravitacionales fuertes procedentes de supernovas, la muerte explosiva de las estrellas, pero “Rubin cambiará las reglas del juego: Esperamos multiplicar esa cifra al menos por 100 y ver unas 50 supernovas con lente gravitacional al año”, enfatizó el profesor adjunto de Física y Astronomía de la Universidad de Stony Brook, Simon Birrer.

En cuanto a los lentes gravitacionales débiles, el salto también será considerable: de unos pocos cientos de millones de ejemplos a miles de millones. “No es sólo que tengamos más área cubierta, sino que podremos profundizar mucho más y ver galaxias mucho más tenues”, comenta Schutt.

Los investigadores también esperan obtener nuevos conocimientos combinando los datos de Rubin con información de experimentos anteriores y simultáneos. Entre ellos se incluyen el Instrumento Espectroscópico para el Estudio de la Energía Oscura (DESI por sus siglas en inglés), financiado por el DOE y realizado con el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros del Observatorio Nacional Kitt Peak, un Programa de NOIRLab de NSF; el Estudio Dark Energy, realizado con la Cámara de Energía Oscura (DECam por sus siglas en inglés), fabricada por el DOE e instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de NSF del Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, un Programa de NOIRLab de NSF; y el Telescopio Espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea.

“Por supuesto, tenemos que analizar cada uno de estos conjuntos de datos de forma independiente y comprenderlos bien… Pero lo que me parece demasiado impactante, por ejemplo, es contar con espectroscopía e imágenes de una misma zona, como la región de superposición entre la Investigación LSST y el estudio DESI, lo cual será sumamente interesante”, afirma Mandelbaum.

Esta exploración más profunda del Universo también permitirá a los investigadores dar un mejor seguimiento a la forma en que se formaron las galaxias y otras grandes estructuras en nuestro Universo, afirma Schutt, ya que mirar más lejos en el espacio significa observar la luz que se originó más atrás en el tiempo.

Lente gravitacional 2

Credit: Ilustración por Sandbox Studio, Chicago with Thumy Phan

¿Cómo se prepararán los científicos?

A corto plazo, recibir una avalancha de datos de Rubin será un gran desafío, sostuvo Mandelbaum. “Lo primero que ocurre cuando se intenta analizar un nuevo conjunto de datos es que te encuentras con un problema y debes solucionarlo”.

Además, añade: “Pero a largo plazo, tendremos mucha más información cosmológica. Así que, si logramos realizar el análisis de forma correcta, podremos lograr un avance significativo en nuestra comprensión del modelo cosmológico y de la energía oscura”.

Una de las formas en que los investigadores se están preparando es mediante la práctica, es decir, probando simulaciones y pipelines de análisis a escala de los datos de Rubin para asegurarse de que los resultados son lógicos. “Basándonos en lo que sabemos de estudios anteriores, al menos podemos asegurarnos de que los resultados de nuestras simulaciones tienen sentido de alguna manera”, afirma Mandelbaum.

Dos colaboraciones científicas asociadas a la Investigación LSST han lanzado desafíos públicos de datos abiertos, en los que se pide a los participantes que encuentren lentes gravitacionales fuertes en datos simulados, explica Birrer. “Queremos involucrar al mayor número de personas posible para aprender a manejar la infraestructura de datos que estamos utilizando”.

A través de la Plataforma de Ciencia de Rubin, colaboradores de todo el mundo pueden empezar a familiarizarse con el tipo de datos que se espera que produzca Rubin. “Cuando empecemos a recibir datos será un poco como el Viejo Oeste. Tendremos que aprender sobre la marcha, pero al menos intentaremos estar lo más preparados posible”, comenta Birrer.

La comunidad será clave para aprovechar al máximo la avalancha de datos de Rubin, afirman los investigadores. “El desarrollo de software comunitario es más importante que nunca”, enfatizó Mandelbaum.

Si cada colaboración en la Investigación LSST crea sus propias simulaciones cosmológicas, simulaciones de imágenes y software de análisis, es probable que se duplique mucho el trabajo, añadió. Eso también dificultará la comparación de los resultados.

“Las iniciativas de software comunitario en las que pueden colaborar personas de múltiples investigaciones tienen un inmenso valor. Juntos podemos hacer mejor ciencia”, afirma Mandelbaum.

La comunidad dedicada a los lentes gravitacionales fuertes también tendrá que aumentar sus esfuerzos de colaboración. “Con Rubin, no podemos investigar solos”, señaló Birrer. Organizar equipos de investigación más grandes supondrá un cambio para la comunidad dedicada a los lentes gravitacionales fuertes, “pero es emocionante porque juntos podemos hacer algo realmente importante”, añadió.