¿Cómo fue que unos estudiantes descubrieron la galaxia con la lente gravitacional más brillante del Universo temprano?

Hacer un nuevo descubrimiento es el punto culminante de la carrera de cualquier astrónomo, pero imagínense hacerlo cuando todavía es un simple estudiante universitario. Eso es exactamente lo que ocurrió con un grupo de estudiantes de la Universidad de Chicago, al descubrir la galaxia con el lente gravitacional más fuerte del Universo temprano.

El proyecto COOL-LAMPS (en inglés, ChicagO Optically selected strong Lenses - Located At the Margins of Public Surveys) comenzó en diciembre de 2019 como una forma de otorgar experiencia de investigación a los estudiantes para evitar el traslado hacia los observatorios debido a la pandemia del COVID-19. Este proyecto está dirigido por el Profesor Michael Gladders y el candidato a doctorado de la Universidad de Chicago, Gourav Khullar, profesor asistente del curso.

¿Sabías que… Albert Einstein predijo las lentes gravitacionales en su Teoría General de la Relatividad y que el ejemplo más extremo de una lente gravitacional es un Anillo de Einstein, donde la luz de la galaxia se deforma tomando la forma de un anillo?

“[El curso] está construido en torno al marco CURE (en español, Experiencia de Investigación de Pregrado basada en el Curso)”, dice Khullar. “Desde sus inicios, el objetivo de COOL-LAMPS es el descubrimiento y caracterización de sistemas raros de lentes gravitacionales fuertes”.

Una lente gravitacional se produce cuando la inmensa gravedad de un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias, curva el espacio, dando lugar a un efecto de lente en el que la luz de los objetos de fondo se deforma y amplifica. Las lentes gravitacionales más extremas pueden estirar las imágenes de las galaxias hasta convertirlas en arcos difusos, pero como las imágenes de las lentes se amplifican, ofrecen a los astrónomos la oportunidad de observar galaxias con un gran nivel de detalle que, de otro modo, serían demasiado tenues para estudiarlas.

Para buscar galaxias con lentes gravitacionales, los estudiantes examinaron conjuntos de datos disponibles públicamente de una serie de poderosos observatorios terrestres. Entre ellos se encuentran los datos del DECaLS, el Dark Energy Camera Legacy Survey, observados con la Cámara de Energía Oscura, montada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco del Observatorio Cerro Tololo de NOIRLab en Chile. Financiada por el Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos y construida y probada en el Fermilab del DOE, la DECam fue operada por el DOE y la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) de EE.UU entre 2013 y 2019, y el archivo científico de la DECam está gestionado por el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) de NOIRLab.

Los estudiantes universitarios de la Universidad de Chicago que descubrieron una galaxia con lente gravitacional que existió 1.200 millones de años después del Big Bang.

Credit: COOL-LAMPS/University of Chicago.

Mientras estudiaban el conjunto de datos de DECaLs, los estudiantes encontraron la imagen con lente gravitacional de una galaxia que se formó 1.200 millones de años después del Big Bang, situada a un desplazamiento al rojo de 5,04. Denominada como COOL J1241+2219, o CJ1241 para abreviar, esta galaxia es la más brillante jamás observada en el Universo temprano, y cinco veces más luminosa que su rival más cercano. Está siendo observada a través de un lente gravitacional de un enorme cúmulo de galaxias en primer plano a unos 7.700 millones de años luz de distancia.

“Disponer de un conjunto de datos como DECaLS es fundamental para estos estudios”, afirma Khullar. “Al mapear imágenes que pueden detectar objetos más tenues y escanear amplias porciones del cielo, nuestra colaboración ha logrado inspeccionar alrededor de 1 millón de líneas de visión y catalogado más de 1.000 candidatas a lentes gravitacionales hasta ahora. Desde una perspectiva pedagógica y de investigación, los catálogos de imágenes de DECaLS son extremadamente útiles”.

La colaboración de COOL-LAMPS nunca esperó encontrarse con un descubrimiento tan importante, porque CJ1241 ofrece una oportunidad única de estudiar una galaxia del Universo temprano con más detalle de lo habitual. En particular, querían saber más sobre la historia de la formación estelar de la galaxia, que podría enseñarnos sobre su evolución. Con este fin, Khullar solicitó Tiempo Discrecional del Director para utilizar el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini Norte (GNIRS por sus siglas en inglés) en el Telescopio Gemini Norte de NOIRLab en Hawaiʻi.

Mientras estudiaban el conjunto de datos de DECaLs, los estudiantes encontraron la imagen con lente gravitacional de una galaxia que se formó 1.200 millones de años después del Big Bang. Denominada como COOL J1241+2219, o CJ1241 para abreviar, esta galaxia es la más brillante jamás vista en el Universo temprano

Una pequeña fracción del tiempo de observación en el Observatorio Gemini se destina al Tiempo Discrecional del Director, que se reserva para diversos proyectos, como observaciones urgentes de objetos transitorios, como supernovas, u observaciones breves pero únicas que puedan tener un alto impacto científico.

El arco rojo es la imagen de la lente gravitacional de la galaxia COOL J1241+2219. El gráfico de abajo es el espectro de su luz que muestra las líneas de absorción y emisión que indican la formación de estrellas y la ausencia de polvo interestelar.

Credit: COOL-LAMPS/University of Chicago.

Las observaciones de GNIRS revelaron que la galaxia distante es masiva e intrínsecamente luminosa en comparación con otras galaxias conocidas de su época. A menudo, en el Universo temprano, las galaxias crecían en masa al fusionarse con otras galaxias, lo que desencadenaba un “estallido de estrellas” que resultaba en un proceso frenético de formación de nuevas estrellas. Sin embargo, las observaciones sugieren que CJ1241 no ha participado en ninguna colisión cósmica, sino que simplemente ha estado formando estrellas a un ritmo relativamente alto durante unos mil millones de años. A pesar de la forma distorsionada que toma una galaxia a través de la lente gravitacional, es posible definir detalles de la galaxia a una escala de cientos de años luz, algo impresionante para una galaxia cuya luz ha viajado durante 12.600 millones de años hasta llegar a nosotros.

Ilustración que muestra cómo la gravedad de un cúmulo de galaxias masivas en primer plano puede curvar la luz de galaxias más distantes.

Credit: James Josephides

Esperamos que CJ1241 pueda ser un punto de referencia para los estudios sobre cómo las galaxias del Universo temprano se forman y reúnen su masa

“Esperamos que CJ1241 pueda ser un punto de referencia para los estudios sobre cómo las galaxias del Universo temprano se forman y reúnen su masa”, dice Khullar, que ahora lidera las próximas observaciones de esta importante y distante galaxia con el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, el Telescopio Espacial Hubble, el Radiotelescopio Very Large Array y el Telescopio Espacial James Webb.

En cuanto a los estudiantes de la colaboración COOL-LAMPS, que acaban de publicar su primer artículo de investigación, siguen buscando galaxias con lentes gravitacionales, con nuevos miembros añadidos a su equipo, no sólo con la esperanza de hacerse conocidos en el ámbito científico, sino también para lanzar sus nuevas carreras como astrónomos.

Momento en el que se encuentra COOL J1241+2219, en el contexto de la historia del Universo.

Credit: NASA